Download Dr. Ing. di Prátula, H.R. Curso: Mantenimiento Predictivo de ME

Dr. Ing. di Prátula, H.R.
Curso: Mantenimiento Predictivo de ME
Las máquinas eléctricas
MÁQUINAS
ELÉCTRICAS
{
z
z
Estáticas
{
Rotativas
z
z
z
Transformadores
Motores
Generadores
Transformador
SISTEMA
ELÉCTRICO
MEDIO DE
ACOPLAMIENTO
SISTEMA
ELÉCTRICO
Transformador
Motor
SISTEMA
ELÉCTRICO
MEDIO DE
ACOPLAMIENTO
Generador
SISTEMA
MECÁNICO
Clase de aislamiento
Clase de
aislamiento
Y
A
E
B
F
H
200
220
250
Temperatura
máxima ºC
90
105
120
130
155
180
200
220
250
Temperatura máxima que el
material del que está construido
el aislamiento puede soportar
sin perder sus propiedades.
Se obtiene “ensayando el material
y comparando los resultados con
los de materiales patrón de eficacia conocida” (Norma UNE-CEI)
Grados de protección
En la norma UNE 20-324 se establece un sistema de
especificación general en función del grado de protección
que se consigue en cualquier material eléctrico. El grado
de protección se designa con las letras IP seguidas de tres
cifras, de las cuales en las máquinas eléctricas sólo se
utilizan dos.
z
1ª cifra: indica la protección de las personas frente a
contactos bajo tensión y/o piezas en movimiento en el
interior, así como la protección de la máquina frente a la
penetración de cuerpos sólidos extraños.
z
2ª cifra: indica la protección contra la penetración de
agua.
z
3ª cifra: indicaría la protección contra daños mecánicos.
Primera
cifra
Grado de protección
característica
Descripción abreviada
Definición
0
No protegido
Ninguna protección especial
Protegido contra cuerpos sólidos
superiores a 50mm.
Una gran superficie del cuerpo
humano, por ejemplo la mano (pero
ninguna
protección
contra
una
penetración
deliberada).
Cuerpos
sólidos de más de 50mm de diámetro.
Protegido contra cuerpos sólidos
superiores a 12mm.
Los dedos u objetos de tamaños
similares que no excedan de 80 mm de
longitud. Cuerpos sólidos de más de
12 mm de diámetro.
1
2
3
Protegido contra cuerpos sólidos
superiores a 2.5mm.
4
Protegido contra cuerpos sólidos
superiores a 1mm.
5
Protegido contra el polvo
6
Totalmente protegido contra el
polvo
Herramientas, alambres, etc., de
diámetro o de espesores superiores a
2.5mm. Cuerpos sólidos de más de 2.5
mm de diámetro.
Alambres o bandas de espesor
superior a 1.0mm. Cuerpos sólidos de
más de 1.0mm de diámetro.
No se impide del todo la penetración
del polvo, pero este no puede penetrar
en cantidad suficiente como para
perjudicar el buen funcionamiento del
material.
No hay penetración de polvo
Protección
frente a la
penetración
de cuerpos
extraños:
Primera
cifra
Segunda
cifra
Grado de protección
característica
Descripción abreviada
Definición
0
No protegido.
Ninguna protección especial.
1
Protegido contra las caídas verticales de
gotas de agua.
Las gotas de agua (que caen
verticalmente) no deben producir
efectos perjudiciales.
2
Protegido contra las caídas de agua con
una inclinación máxima de 15º.
3
4
5
Protegido contra el agua en forma de
lluvia.
Protegido contra proyecciones de agua.
Protegido contra los chorros de agua.
Protegido contra los embates del mar.
6
7
8
Protegidos contra los efectos de la
inmersión.
Protegido contra la inmersión
prolongada.
La caída vertical de gotas de agua
no
debe
producir
efectos
perjudiciales cuando la envolvente
está inclinada hasta 15º de su
posición normal.
El agua que caiga en forma de
lluvia en una dirección que tenga
respecto a la vertical un ángulo
inferior o igual a 60º no debe
producir efectos perjudiciales.
El agua proyectada sobre el
envolvente
desde
cualquier
dirección, no debe producir efectos
perjudiciales.
El
agua
lanzada
sobre
el
envolvente por una boquilla desde
cualquier
dirección,
no
debe
producir efectos perjudiciales.
Con mar gruesa o mediante
chorros potentes, el agua no
deberá penetrar en la envolvente
en cantidad perjudicial.
No debe ser posible que el agua
penetre en cantidad perjudicial en
el interior de la envolvente
sumergida en agua, con una
presión y un tiempo determinado.
El material es adecuado para la
inmersión prolongada en agua en
las condiciones especificadas por
el fabricante.
Protección
frente a
entrada
de agua
Transformadores
De potencia
Monofásicos o
trifásicos
De medida
Monofásicos o
trifásicos
Especiales
Monofásicos o
trifásicos
Existen
Existendistintos
distintostipos
tiposde
detransformadores
transformadoresde
depotencia
potencia
Los
Losde
demedida
medidapueden
puedenmedir
medirtensiones
tensionesoocorrientes
corrientes
Códigos refrigeración
transformadores I
Según que la circulación del fluido refrigerante se
deba a convección natural o forzada (impulsado por
una bomba) se habla de refrigeración natural (N) o
forzada (F)
Las normas clasifican los sistemas de refrigeración de
los transformadores según el refrigerante primario
(en contacto con partes activas) y secundario ( el
utilizado para enfriar al primario). Se utilizan aire,
aceite natural, aceite sintético y agua.
Códigos refrigeración
transformadores II
X
X
X
X
SE UTILIZAN 4 DÍGITOS
COMO CÓDIGO
Tipo de circulación del refrigerante
secundario (N) o (F).
Tipo de refrigerante secundario (A)
aire, (W) agua.
Tipo de circulación del refrigerante Ejem OFAF
primario (N) o (F).
Tipo de refrigerante primario (A) aire, (O) aceite mineral,
(L) aceite sintético.
Generalidades
Transformador
Transformador
elemental
Flujo magnético
elemental
I1
Se utilizan en redes eléctricas para
convertir un sistema de tensiones
(mono - trifásico) en otro de igual
I2
V1
frecuencia y > o < tensión
V2
La conversión se realiza prácticamente sin pérdidas
Secundario
Primario
Núcleo de chapa
magnética aislada
Transformador elevador: V2>V1, I2<I1
Potentrada≅Potenciasalida
Las intensidades son inversamente
proporcionales a las tensiones en
cada lado
Transformador reductor: V2<V1, I2>I1
Los valores nominales que definen a un transformador son: Potencia
aparente (S), Tensión (U), I (corriente) y frecuencia (f)
Aspectos constructivos:
circuito magnético
I1
En la construcción del núcleo se
utilizan chapas de acero aleadas
con Silicio de muy bajo espesor
(0,3 mm) aprox.
I2
V1
V2
El Si incrementa la resistividad del
material y reduce las corrientes
parásitas
La chapa se aisla mediante un tratamiento químico (Carlite) y se obtiene por
LAMINACIÓN EN FRÍO: aumenta la permeabilidad. Mediante este procedimiento
se obtien factores de relleno del 95-98%
44
55
33
22
11
Corte
º
Corte aa 90
90º
El núcleo puede
tener sección
cuadrada. Pero
es más frecuente
aproximarlo a la
circular
Montaje chapas núcleo
Corte
º
Corte aa 45
45º
600-5000 V
4,5 - 60 kV
Aspectos constructivos: devanados y
aislamiento
Diferentes formas
constructivas de
devanados según
tensión y potencia
Los conductores de los devanados están aislados entre sí:
En transformadores de baja potencia y tensión se utilizan
hilos esmaltados. En máquinas grandes se emplean
pletinas rectangulares encintadas con papel impregnado
en aceite
> 60 kV
El aislamiento entre devanados se realiza dejando
espacios de aire o de aceite entre ellos
La forma de los devanados es normalmente circular
El núcleo está siempre conectado a tierra. Para evitar
elevados gradientes de potencial, el devanado de baja
tensión se dispone el más cercano al núcleo
Aspectos constructivos:
devanados y aislamiento
Aspectos constructivos:
devanados y aislamiento
Catá
Catálogos comerciales
Conformado conductores
devanados
Catá
Catálogos comerciales
Fabricaci
ón n
úcleo:
Fabricación
núcleo:
chapas magn
éticas
magnéticas
Aspectos constructivos:
refrigeración
© Transformadores de potencia medida... E. Ras Oliva
1 Núcleo
1’ Prensaculatas
2 Devanados
3 Cuba
4 Aletas refrigeración
5 Aceite
6 Depósito expansión
7 Aisladores (BT y AT)
8 Junta
9 Conexiones
10 Nivel aceite
11 - 12 Termómetro
13 - 14 Grifo de vaciado
15 Cambio tensión
16 Relé Buchholz
17 Cáncamos transporte
18 Desecador aire
19 Tapón llenado
20 Puesta a tierra
Aspectos constructivos:
trafos trifásicos
Catá
Catálogos comerciales
Transformadores
en baño de aceite
Aspectos constructivos:
trafos trifásicos
Catá
Catálogos comerciales
OFAF
Transformador
seco
Aspectos constructivos:
trafos trifásicos
5000
5000 kVA
kVA
Ba
ño de
Baño
de
aceite
aceite
2500
2500 kVA
kVA
Ba
ño de
Baño
de aceite
aceite
1250
1250 kVA
kVA
Ba
ño de
Baño
de aceite
aceite
Catá
Catálogos comerciales
10
10 MVA
MVA
Sellado
Sellado con
con N
N22
10
10 MVA
MVA
Sellado
Sellado con
con N
N22
Aspectos constructivos:
trafos trif
ásicos
trifásicos
Catá
Catálogos comerciales
Seco
Catá
Catálogos comerciales
En aceite
Secciones de transfomadores
en aceite y secos
TRANSFORMADORES
TRANSFORMADOR DE 15 MVA – ET HEXAFLUORURO DEL POLO
Transformadores
con tomas
TOMAS
TOMAS
TOMAS
TOMAS
El caso 1 es más favorable ya que se trabaja con
tensiones menores
Permiten
Permiten
cambiar
cambiar la
la
relaci
ón de
relación
de
espiras
espiras
entre
entre
primario
primario yy
secundario,
secundario,
de
de este
este
modo
modo se
se
consigue
consigue
una
ón
una tensi
tensión
variable
variable
Entre
Entre otras
otras aplicaciones
aplicaciones se
se utilizan
utilizan en
en las
las redes
redes de
de transporte
transporte yy
distribuci
ón para
ón cte.
distribución
para mantener
mantener la
la tensi
tensión
cte. con
con independencia
independencia de
de la
la carga
carga
Trafos con
tomas
Conexión
devanados
Tomas de
regulación
Conexión
toma de tierra
Catá
Catálogos comerciales
Transformadores con tres
arrollamientos
φ (t)
V1
N1
N2
V2
N2’
V2’
Son
Son transformadores
transformadores
especiales
especiales utilizados
utilizados en
en
alta
alta potencia.
potencia. Constan
Constan
de
de un
un primario
primario yy dos
dos
secundarios
secundarios
Mediante
Mediante una
una sola
sola
m
áquina se
máquina
se obtienen
obtienen
dos
ón
dos niveles
niveles de
de tensi
tensión
diferentes
diferentes
SÍMBOLOS
Transformadores de medida
y protecci
ón
protección
UTILIDAD
z
Aislar los dispositivos de medida y protección de la alta tensión.
z
Trabajar con corrientes o tensiones proporcionales a las que son objeto de
medida.
z
Evitar las perturbaciones que los campos
magnéticos pueden producir sobre los
instrumentos de medida
El rendimiento no es
importante
Trabajan con niveles
bajos de flujo (zona
lineal)
Existen trafos de
corriente y de tensión
En
En todos
todos los
los casos
casos la
la rrtt es
es <
< 11 para
para mantener
mantener los
los valores
valores bajos
bajos en
en las
las
magnitudes
magnitudes secundarias
secundarias
Los
Los trafos
trafos de
de corriente
corriente tienen
tienen las
las corrientes
corrientes secundarias
secundarias normalizadas
normalizadas a:
a:
55 A
ón las
A yy 11 A
A yy los
los de
de tensi
tensión
las tensiones
tensiones secundarias
secundarias aa 100
100 yy 110
110 VV
Transformadores de
corriente
Conexión de un transformador de
intensidad
Zcarga
I1
Xd1
Xd2’
R1
R2’
I2’
I0
IP
I1
Corriente a
medir
RFe
Xµ
Carga
Secundario
IS
A
En
En un
un trafo
trafo de
de corriente
corriente la
la corriente
corriente del
del primario
primario viene
viene impuesta
impuesta por
por la
la
intensidad
intensidad que
que se
se desea
desea medir.
medir. El
El flujo
flujo no
no es
es cte.
cte.
Las
Las impedancias
impedancias que
que aparecen
aparecen como
como cargas
cargas en
en el
el secundario
secundario tienen
tienen que
que
ser
étricas)
ser muy
muy bajas
bajas (suelen
(suelen ser
ser las
las de
de las
las bobinas
bobinas amperim
amperimétricas)
¡¡¡
NUNCA SE
¡¡¡NUNCA
SE PUEDE
PUEDE DEJAR
DEJAR EL
EL SECUNDARIO
SECUNDARIO EN
EN CIRCUITO
CIRCUITO ABIERTO!!!
ABIERTO!!!
Transformadores de
corriente
PRECISI
ÓN DE LA MEDIDA
PRECISIÓN
z
Depende de la linealidad entre el flujo e I0. A mayor I0 mayor error.
z
Se utilizan materiales magnéticos de alta permeabilidad.
z
Se trabaja con valores bajos de B.
z
Se trabaja con valores limitados de la corriente del secundario (Z de
carga próxima al cortocircuito) para evitar pérdidas de linealidad
PAR
ÁMETROS DEL TRAFO DE CORRIENTE
PARÁMETROS
z
Tensión de aislamiento: máx. tensión con la que se puede trabajar.
z
Relación de transformación: 200/5 A (p ejem).
z
Error de Intensidad: diferencia entre la I2 real y la esperada en función
de la corriente I1 en % (εi(%)).
II22K
Knn −− II11
z
Error de fase: diferencia de fases entre I1 e I2
εεii(%)
(%) ==
II
K
Knn == 11nn
II22nn
II11
⋅⋅100
100
Transformadores de
corriente
© M. F. Cabanas:
Cabanas: Té
Técnicas para el mantenimiento y
diagnó
diagnóstico de má
máquinas elé
eléctricas rotativas
Sonda de
corriente
1 – 10 –
100 A
Núcleos magnéticos para
transformadores de
corriente
Transformador de
corriente 1250A
© M. F. Cabanas:
Cabanas:
Técnicas para el
mantenimiento y
diagnó
diagnóstico de
máquinas elé
eléctricas
rotativas
Transformadores de
corriente 100 A
• La vida útil de una máquina eléctrica y en
particular de un transformador,
convencionalmente, se refiere a:
– condiciones de servicio continuo
– valores normales de temperatura ambiente
– carga nominal
• La vida útil se reduce debido a situaciones no
comunes:
– sobretensiones
– cortocircuitos
– sobrecargas de emergencia
que a su vez son función de:
– severidad del evento (amplitud y duración)
– diseño del transformador
– temperaturas de las distintas partes del
transformador
– contenido de humedad del aceite
– contenido de oxígeno y otros gases en el
aislamiento y en el aceite
• Sobrecarga cíclica normal
• Carga cíclica de emergencia prolongada
• Carga de emergencia de corta duración
Se pueden establecer las siguientes temperaturas:
• temperatura máxima de la bobina (punto o
zona caliente)
• temperatura media de la bobina
• temperatura media de la superficie de la
bobina
• temperatura máxima del aceite
• temperatura media del aceite dentro de la
cuba
• temperatura media de la superficie de los
órganos de refrigeración
• temperatura ambiente
Organos adicionales de refrigeración - tubos
Transformador
de distribución
de 215 kVA
Organos adicionales de refrigeración radiadores
Los valores de
transmisión del
calor
obtenidos de
tablas se
deben
multiplicar por
tres factores
de corrección
Conclusiones:
• Las normas establecen los valores de
sobreelevación de temperatura máxima del aceite
y media de los arrollamientos.
• Otro valor importante es la temperatura máxima
del punto caliente.
La norma IEC 60354 define la relación de
envejecimiento, para carga nominal y
temperatura ambiente de 20 ºC, adoptando como
valor de referencia la temperatura de 98 ºC para
el punto caliente.
Valor relativo de la relación de envejecimiento:
V=
rel. envej. a t º C
=
rel. envej. a 98 º C
t −98
2 6
Como se puede observar es muy sensible al valor de
la temperatura del punto caliente.
generalidades
• La máquina de CC consta de dos devanados alimentados con
CC: uno llamado inductor que está en el estator de la máquina
y otro llamado inducido que está en el rotor.
• En el caso de funcionamiento como motor ambos devanados
están alimentados con CC. En el caso de funcionamiento como
generador se alimenta con CC el inducido y se obtiene la FEM
por el inductor (también continua).
• Su funcionamiento se basa en la existencia de un mecanismo
llamado colector que convierte las magnitudes variables generadas o aplicadas a la máquina en magnitudes constantes.
• Se utilizan en tracción eléctrica (tranvías, trenes etc.) y en
accio-namientos donde se precisa un control preciso de la
velocidad.
• Están en desuso debido a su complejo mantenimiento.
Despiece de una máquina
de CC
1.
Culata
2.
Núcleo polar
3.
Expansión polar
4.
Núcleo del polo auxiliar o
de conmutación
5.
Expansión del polo
auxiliar o de conmutación
6.
Núcleo del inducido
7.
Arrollamiento de inducido
8.
Arrollamiento de
excitación
9.
Arrollamiento de
conmutación
10. Colector
11. – 12. Escobillas
1
9
8
2
12
10
3
6
11
5
4
7
© M. F. Cabanas:
Cabanas:
Técnicas para el
mantenimiento y
diagnó
diagnóstico de
máquinas elé
eléctricas
rotativas
Motores de CC
Catá
Catálogos comerciales
Motor de CC para
aplicaciones de
robótica
Pequeños motores de CC
e imanes permanentes
Fotografí
Fotografía realizada en los talleres de ABB Service Gijó
Gijón
Catá
Catálogos comerciales
Motor de CC de 6000 kW fabricado por ABB
El colector
Catá
Catálogos
comerciales
© M. F. Cabanas:
Técnicas para el
mantenimiento y
diagnóstico de
máquinas
eléctricas
rotativas
Colector
Escobillas
Sentido de rotación
de la espira
Colector
real
Colector de dos
delgas
1
2
1
2
1
© M. F. Cabanas:
Cabanas:
Técnicas para el
mantenimiento y
diagnó
diagnóstico de
máquinas
elé
eléctricas
rotativas
2
- +
0
- +
Instante Inicial
Conmutación
Inversión de la polaridad
Formas de excitación
• El campo magnético de la máquina de CC puede generarse
mediante imanes permanentes, o con bobinas alimentadas
con CC (caso habitual):
• Según la forma de alimentación de las bobinas se tienen 2
tipos de excitación:
9 Excitación independiente: la corriente que alimenta al devanado inductor es ajena a la propia máquina, procede de una
fuente independiente externa.
9 Autoexcitación: la corriente de excitación en este caso procede de la propia máquina. Según la forma de obtener esta
corriente existen 3 tipos diferentes de máquina de CC:
• Excitación Serie: devanado inductor en serie con el inducido
• Excitación derivación: devanado inductor conectado directamente a las escobillas, por tanto, en paralelo con el inducido.
• Excitación compuesta o mixta: una bobina en serie y la otra
en paralelo.
Resistencia
Resistencia del
del inducido
inducido
R
Rii
Formas de
excitación
Resistencia
Resistencia
del
del inductor
inductor
U
Uex
ex
L
Lex
ex
Tensión
Tensión
excitación
excitación
E
E
FEM
FEM
Inducida
Inducida
Inducido
Inductor
Inducido
Inductor
Motor de excitaci
ón
excitación
independiente
U
Uex
ex
L
Lex
ex
Inductor
Inductor
Motor de excitaci
ón
excitación
derivaci
ón
derivación
R
Rii
E
U
Uii
Inducido
Inducido
Resistencia
Resistencia del
del
inducido
inducido
R
Rex
ex
R
Rex
ex
U
Uii
Resistencia
Resistencia del
del
inducido
inducido
R
Rii
Inductor
Inductor
R
Rex
ex
LLex
ex
E
E
Inducido
Inducido
Motor de excitaci
ón
excitación
serie
U
Uii
Resistencia
Resistencia
del
del inducido
inducido
Rii
Inductor
Inductor 11
Rex1
ex1
E
Lex1
ex1
Rex2
ex2
Inductor
Inductor 2
2
Lex2
ex2
Inducido
Inducido
Resistencia
Resistencia del
del
inducido
inducido
Rii
E
Motor de excitaci
ón
excitación
compuesta larga
Inductor
Inductor 2
2
Rex2
ex2
Rex1
ex1
Inductor
Inductor 1
1
Lex1
ex1
Inducido
Inducido
Motor de excitaci
ón
excitación
compuesta corta
Lex2
ex2
Uii
Uii
La reacción de inducido
Al circular corriente
por el inducido se va
a crear un campo que
distorsiona el campo
creado por los polos
inductores de la
máquina
Esta distorsión del
campo recibe el
nombre de reacción
de inducido
EFECTOS
PRODUCIDOS
POR LA
REACCIÓN DE
INDUCIDO
E
N
S
2BlV
2BlV
FEM
FEM con
con reacción
reacción
de
de inducido
inducido
DESPLAZAMIENTO
LÍNEA NEUTRA
0
π
2π
-2BlV
-2BlV
Desplazamiento de la “plano o línea neutra” (plano
en el que se anula el campo
Disminución del valor global del campo de la
máquina
La reacción de inducido
Desplazamiento
de la “plano o
© Mulukutla S.
Sarma:
Sarma: Electric
machines
línea neutra”
PROBLEMAS DURANTE
LA CONMUTACIÓN
POLOS DE
CONMUTACIÓN
REDUCCIÓN PAR Y
AUMENTO VELOCIDAD
Disminución del
valor global del
campo de la
máquina
LOS POLOS DE CONMUTACIÓN COMPENSAN
LOCALMENTE LA REACCIÓN DE INDUCIDO
ELIMINANDO LA DISTORSIÓN DEL CAMPO
La máquina de CC como
generador
Iex
ex
Rex
ex
Uex
ex
Lex
ex
Rii
E
Uii
FEM
FEM
Inducida
Inducida
Inducido
Inductor
Generador con excitación
independiente
Se hace girar el inducido y se
alimenta el inductor. La tensión de
excitación controla la FEM E y, por
tanto, la tensión de salida Ui
La tensión de salida crece
proporcionalmente con la velocidad
de giro n
N⋅p
E=4
n⋅ϕ
60a
E = K ⋅n⋅ϕ
La relación entre la corriente de excitación y la FEM inducida no
es lineal: existe saturación
La máquina de CC como
generador
I
I
Rii
En la generador en derivación la propia
tensión de salida del generador se
utiliza para producir la excitación
Rex
ex
E
Uii
Inducido
Inducido
Uex
ex
Uex=Ui
Lex
ex
E Curva de magnetización
Inductor
Inductor
E2
Generador con excitación
derivación
El generador “arranca” gracias al magnetismo
remanente siguiendo un proceso de
E1
E = I ⋅ [R ex + R i ]
AUTOEXCITACIÓN
Magnetismo
remanente
ϕR
Se repite hasta el
pto. de equilibrio
ER
E2
IR =
I1
ER
R ex + R i
E1
Pto. de
equilibrio
ER
Iex
IR
I1
Curvas características de los
motores de CC
Resistencia
del inductor
Resistencia del
inducido
II
Resistencia del inducido
ii
Rex
Uex
Lex
Tensión
excitación
Inductor
Ri
Ri
E
E
Ui
IIii
Rex
Uex
Ui
Lex
FEM
Inducida
Inducido
Inducido
Inductor
Motor
ón
Motor de
de exc.
exc. derivaci
derivación
Motor
Motor de
de exc.
exc. independiente
independiente
Desde el punto de vista funcional ambos motores son muy similares ya que el
inducido está sometido a una tensión constante
Ui = E − R i ⋅Ii
Ecuación del motor derivación e
independiente
E = K ⋅n⋅ϕ
T = K '⋅ϕ ⋅ Ii
Ec. General maq. CC
n=
Uii
T
−
⋅ R ii
2
2
K ⋅ ϕ K ⋅ K '⋅ϕ
Iii =
T
K '⋅ϕ
Uii = K ⋅ ϕ ⋅ n +
T
⋅ R ii
K '⋅ϕ
Curvas características de los
motores de CC
Curva par-velocidad de los
motores de excitación
independiente y derivación
n=
Ui
T
−
⋅ Ri
2
K ⋅ ϕ K ⋅ K '⋅ϕ
n
CONSIDERANDO
CTES. Ui y ϕ
CARACTERÍSTICA DE VELOCIDAD
n=f(Ii)
E = K ⋅n⋅ϕ
Ui = E − R i ⋅Ii
Pendiente
Pendiente 2
2–
– 8%
8%
Aumento
Aumento
de
de Rii
T
CARACTERÍSTICA DURA
n
ϕ=cte
n=
Ui
R ⋅I
−⋅ i i
K ⋅ϕ
K ⋅ϕ
Iii
Curvas características de los
motores de CC
Resistencia del
inducido
Ri
E
Inductor
Rex
Ii=Iex
Lex
Ii=Iex
Ui
Inducido
Motor de excitaci
ón serie
excitación
serie
E = K ⋅n⋅ϕ
Ec. General maq. CC
T = K '⋅ϕ ⋅ Ii
Ec. General maq. CC
n=
En el motor serie el devanado de
excitación y el inducido están conectados
en serie. Iex=Ii y esta última depende de
la carga arrastrada por el motor, por tanto, sus características funcionales serán
distintas de las del motor de exc. indep.
E = Ui − [R i + R ex ] ⋅Ii
] ⋅ Iii
Uii − [R ii + R ex
ex
K ⋅ϕ
La relación entre
Iex y el flujo ϕ
viene definida por
la característica
magnética (B-H)
de la máquina
n=
Ecuación del
motor serie
[R + R ex
]
Uii
ex ⋅ T
− ii
K ⋅ϕ
K ⋅ K '⋅ϕ 22
ϕ
Zona
Zona lineal
lineal
ϕ
=CIex
ϕ=CI
ex
Iex
ex
Curvas características de los
motores de CC
Como Iex=Ii en
la zona lineal del
motor se cumple:
ϕ=CIi
2
T = K '⋅C ⋅ Iii 2
En la zona lineal
(pares bajos)
Iii =
ϕ=Cte
SUSTITUYENDO
Uii
n=
− Cte
Cte ⋅ T
La característica mecánica cuando el
motor trabaja en la zona lineal (pares
bajos). ES UNA HIPÉRBOLA
En la zona de
saturación
(cuando al
motor se
exigen pares
elevados) se
puede admitir
T
K '⋅C
n
SUSTITUYENDO
n = Cte − Cte ⋅ T
La característica
mecánica en la zona
de saturación (pares
altos) ES UNA RECTA
NO puede trabajar
con cargas bajas
porque tiende a
embalarse
T
Curvas características de los
motores de CC
CARACTERÍSTICA DE VELOCIDAD n=f(Ii)
E = Ui − [R i + R ex ] ⋅Ii
E = K ⋅n⋅ϕ
Ecuación del
motor serie
n
En la zona de
saturación es
una recta
decreciente
Ec. General maq. CC
Ui = K ⋅ ϕ ⋅ n + Ii ⋅ [R i + R ex ]
n=
I ⋅ [R i + R ex ]
U
− i
K ⋅ϕ
K ⋅ϕ
n=
[R + R ex ]
U
− i
Cte ⋅ Ii
Cte
Como Iex=Ii en
la zona lineal del
motor se cumple:
ϕ=CIi
La característica de velocidad cuando el motor
trabaja en la zona lineal ES UNA HIPÉRBOLA
Iii
En la zona de saturación se
puede admitir ϕ=Cte
n=
I ⋅ [R i + R ex ]
U
− i
Cte
Cte
Variación de velocidad en los
motores de CC
Variación de la tensión de inducido
manteniendo el flujo constante
VARIACIÓN DE LA
VELOCIDAD DEL
MOTOR
A n<nnominal se mantiene el flujo
constante y se varía la tensión de inducido
Variación de la excitación
(debilitamiento del campo)
E = K ⋅n⋅ϕ
Se usa con n>nnominal.
Al disminuir la excitación
disminuyen el flujo y el par
pero aumenta la velocidad
T = K '⋅ϕ ⋅ Ii
DISPOSITIVOS
PARA LA
VARIACIÓN DE
TENSIÓN
CONTINUA
Ec. General maq. CC
Rectificadores controlados
Troceadores (“Choppers”)
Aspectos constructivos:
generalidades
Conjunto
Conjunto de
de
espiras
espiras en
en
cortocircuito
cortocircuito
ROTOR
ROTOR
ESTATOR
ESTATOR
De
De jaula
jaula de
de
ardilla
ardilla
Bobinado
Bobinado
Devanado
Devanado
trif
ásico
trifásico
distribuido
distribuido en
en
ranuras
º
ranuras aa 120
120º
CIRCUITOS
CIRCUITOS
MAGN
ÉTICOS
MAGNÉTICOS
De
De Al
Al
fundido
fundido
De
De barras
barras
soldadas
soldadas
Aleatorio:
Aleatorio: de
de hilo
hilo
esmaltado
esmaltado
Preformado
Preformado
Conjunto
Conjunto de
de chapas
chapas de
de
Fe
Fe aleado
aleado con
con Si
Si
aisladas
aisladas yy apiladas
apiladas
Aspectos constructivos: rotor
II
Barras
Barras
Anillo
Anillo
Rotor de anillos
Soldados
Anillos
Fotografí
Fotografías realizadas en los talleres
de ABB Service - Gijó
Gijón
Rotor de aluminio
Fundido
Chapa magnética
Anillo de
cortocircuito
Rotor III
Catá
Catálogos comerciales
Barra de cobre
Plato final rotor
Fijación
chapa magnética
Despiece de un rotor
de jaula con barras
de cobre soldadas
Rotor bobinado:
anillos rozantes
© L. Serrano: Fundamentos de
máquinas elé
eléctricas rotativas
Anillos
rozantes
El rotor se cierra en
cortocircuito desde el
exterior a través de
unas escobillas y
anillos rozantes
Anillos
rozantes
Escobillas
© L. Serrano: Fundamentos de
máquinas elé
eléctricas rotativas
Aspectos constructivos:
estator
Evitar
Evitar contacto
contacto entre
entre
conductores
conductores aa distinta
distinta
tensi
ón
tensión
Fotografí
Fotografías realizadas en los talleres
de ABB Service - Gijó
Gijón
Fotografí
Fotografías realizadas en los talleres
de ABB Service - Gijó
Gijón
DEVANADO PREFORMADO
Tensión>2300v
Los
Los materiales
materiales empleados
empleados en
en los
los
aislamientos
aislamientos son
son generalmente
generalmente
org
ánicos
orgánicos
DEVANADO DE HILO
Tensión<600V
Diferencias entre devanados
de hilo y devanados
preformados
Baja tensi
ón < 2kV
tensión
Devanados de Hilo
Forma constructiva
de los devanados
Potencia < 600CV
Devanado
Devanado “aleatorio”
“aleatorio”
dentro
dentro de
de la
la ranura
ranura
Pletinas de cobre aisladas
Devanados de pletina
Alta tensi
ón y potencia
tensión
Colocación
Colocación de
de bobinas
bobinas
“ordenada”
“ordenada”
Elementos del aislamiento
estatórico en motores con
devanados preformados
Cuña
Bobina
superior
Núcleo del
estator
Conductor
elemental
Aislamiento
Bobinas del
estator
Bobina
inferior
Espira
Habitualmente se colocan
dos bobinas por ranura.
Cada espira puede estar
constituida por varios
conductores elementales
El aislamiento entre conductores elementales es
distinto del aislamiento
frente a masa
Elementos del aislamiento
estatórico en motores con
devanados preformados
• MURO AISLANTE: elemento de mayor espesor que separa
al conjunto de la bobina del exterior. Debe estar
dimensionado para soportar la tensión correspondiente al
nivel de aislamiento de la máquina.
• AISLAMIENTO ENTRE ESPIRAS Y ENTRE CONDUCTORES
ELEMENTALES: las espiras pueden estar formadas
conductores individuales para reducir las pérdidas. Es
necesario que exista aislamiento entre ellas y entre
conductores.
• CINTAS Y RECUBRIMIENTOS DE PROTECCIÓN: se
utilizan cintas y recubrimientos protectores para proteger
las bobinas en las zonas de ranura.
Elementos del aislamiento
estatórico en motores con
devanados preformados III
Fotografí
Fotografías realizadas en los talleres
de ABB Service - Gijó
Gijón
Cabeza
de bobina
Zona de ranura
Aislamiento entre espiras y
conductores
• El número de espiras de una bobina varía entre 2 y 12.
• El número de conductores elementales varía entre 2 y 6.
• Las tensiones soportadas por los conductores elementales
son muy bajas.
• Los conductores elementales se aíslan por separado,
posteriormente se agrupan en el número necesario para
formar una espira. Se pliegan para conformar cada espira
y finalmente se aplica a la espira el aislamiento
correspondiente.
• Las principales solicitaciones que aparecen sobre este tipo
de devanado son de tipo térmico y mecánico (durante el
conformado de las espiras).
Materiales aislantes para los
conductores elementales
Hasta los años
40 barnices
Fibras de amianto
Desarrollo de materiales
sintéticos
Motores de
hasta 4kV
Soporta TTª
ª
hasta 220
ºC
220ºC
Poliimida (Kapton) o
Poliamida en forma
de película
Uso
Usode
debarnices
barnicessolos
solosyycombinados
combinados
Motores de
más de 4kV
Poliimida (Kapton) o
Poliamida en forma
de película
+
Fibra de vidrio con
poliéster (Daglas)
Materiales aislantes para el muro
aislante
Catá
Catálogos
comerciales
Material de
base =Mica
Muy buenas propiedades
dieléctricas y térmicas
Silicato de alumnio
Malas propiedades mecánicas
La mica en polvo o
escamas se aglutina con
un material aglomerante
Muchos
compuestos
También se puede
depositar sobre un
material soporte
impregnando el conjunto
con aglomerante
Necesario utilizar
material soporte o
aglomerante
Aglomerantes y materiales
soporte
Material soporte = papel
fibras de algodón, etc.
etc
Hasta los años 60
Material aglomerante =
compuesto asfáltico
TTª
ªM
áxima 110
ºC COMPORTAMIENTO
Máxima
110ºC
CLASE B
TÉRMOPLÁSTICO
Elevadas
Temperaturas
Nuevos soportes:
Fibra de vidrio
Poliéster
A partir de los años 50
Poliéster
Resinas epoxy
AGLOMERANTES
TERMOESTABLES
Aglomerantes y materiales
soporte
Fotografí
Fotografías realizadas en los talleres
de ABB Service - Gijó
Gijón
Recubrimientos de
protección
Recubrimiento de reparto
Bobina con el recubrimiento externo dañado
Fotografí
Fotografías realizadas en los talleres
de ABB Service - Gijó
Gijón
Recubrimiento conductor en
la zona de ranura
Recubrimientos de
protección
Aspecto físico de los motores
asíncronos
Catá
Catálogos comerciales
Catá
Catálogos comerciales
Motor de 25kW, 200V para el
accionamiento de una bomba.
Fabricado en Pittsburg por
Westinghouse en 1900 en
funcionamiento hasta 1978
Motor de inducción de 1000
kW, 4 kV y 3600 RPM para el
accionamiento de un
compresor. Fabricado por
Westinghouse en la actualidad
Aspecto físico: motores de BT
Catá
Catálogos comerciales
Aspecto físico: formas
constructivas normalizadas
Catá
Catálogos comerciales
Conexión de los devanados
U1
V1
W1
U1
W2
U2
U1
V2
V1
V2
W1
W2
Cajas de terminales
Catá
Catálogos comerciales
Conexión en
estrella
Pletina de
cobre
W2
V2
U2
W1
W2
U1
U2
V1
Caja de
conexiones
V1
U2
W1
V2
Conexión en
triángulo
Devanados del motor
Despiece de un motor de MT
Refuerzos
carcasa
Catá
Catálogos comerciales
Núcleo
magnético
estator
Cabezas de
bobina
Fijación
cojinetes
Núcleo
magnético rotor
Refuerzos rotor
Despiece de un motor de BT
TAPA
RODAMIENTO
PLATILLOS
BORNERA
CAPERUZA
VENTILADOR
PLATILLO
CARCASA
RODAMIENTO
1.- Estructura eléctrica
2.- Estructura magnética
3.- Estructura mecánica
MÁQUINA DE INDUCCIÓN
Rotor devanado
Rotor jaula
Ventajas de los motores de
inducción
VENTAJAS DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS
z
La única alimentación eléctrica que reciben se hace a través de
la línea trifásica que alimenta al devanado estatórico. NO HAY
ESCOBILLAS O ELEMENTOS ROZANTES.
z
El rotor de jaula es muy robusto ya que no incluye sistema
aislante.
z
Tienen par de arranque.
z
No tienen problemas de estabilidad ante variaciones bruscas de
la carga.
Aumento del
par de carga
Reducción de la
velocidad de giro
Mayor
par motor
Mayor
FEM
Estabilidad
Mayor corriente
rotor
Inconvenientes de los motores
de inducción
INCONVENIENTES DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS
z
La corriente de arranque es mucho mayor que la corriente de
funcionamiento nominal. Entre 3 y 6 veces mayor. En mucho
casos es necesario disponer procedimientos especiales de
limitación de la corriente de arranque.
z
La variación de su velocidad implica la variación de la frecuencia de la alimentación: es necesario disponer de un convertidor
electrónico que convierta la tensión de red en una tensión de
frecuencia variable.
EQUIPO
RECTIFICADOR
TRIFÁSICO
3 FASES
50 Hz
EQUIPO
INVERSOR
TRIFÁSICO
BUS DE
CC
SISTEMA
DE
FILTRADO
ONDA ESCALONADA
DE f VARIABLE
3 FASES
f VARIABLE
Deslizamiento en las máquinas
asíncronas
Velocidad de
deslizamiento
Ndes
des = NSS − Nm
m
NSS =
Velocidad
mecánica
del rotor
Deslizamiento
S(%) =
{
60 ⋅ f
P
ω − ωm
m ⋅ 100
S(%) = SS
ωSS
Ndes
NSS − Nm
des ⋅ 100 =
m ⋅ 100
NSS
NSS
S=0 Velocidad de sincronismo
S=1 Rotor parado
NSS − Nm
m ) ⋅ N = (1 − S ) ⋅ N
Nm
SS
SS
m = 1− (
NSS
LOS MOTORES DE
ÓN
DE INDUCCI
INDUCCIÓN
TRABAJAN SIEMPRE CON VALORES
MUY BAJOS DE S: S<5%
ωm
m = (1 − S ) ⋅ ωSS
Curvas de respuesta mecánica
par - velocidad
Banda
Banda de
de
dispersi
ón
dispersión
Catá
Catálogos comerciales
Curvas de respuesta mecánica
par - velocidad
Catá
Catálogos comerciales
Características funcionales de
los motores asíncronos
NÚMERO
DE POLOS
VELOCIDAD
SINCRONISMO (RPM)
VELOCIDAD TÍPICA
PLENA CARGA
2
4
6
3000
1500
1000
2900
1440
960
8
10
12
16
750
600
500
375
720
580
480
360
VELOCIDADES DE GIRO TÍPICAS
Fuente: ABB – “Guide for selecting a motor”
TIPO DE REGIMENES
Control de las características
mecánicas de los motores de inducción
mediante el diseño del rotor
Barras de pequeña
sección
Alta
Alta resistencia,
resistencia,
baja
baja reactancia
reactancia
de
ón
de dispersi
dispersión
A
A menor
menor
secci
ón
sección
mayor
mayor R
RRR’’
Barras de ranura
profunda
Resistencia
Resistencia baja
baja
elevada
elevada
reactancia
reactancia de
de
dispersi
ón
dispersión
Doble jaula
}
Pueden usarse
dos tipos de
material con
diferente
resistividad
Combina
Combina las
las
propiedades
propiedades de
de
las
las dos
dos
anteriores
anteriores
La secci
ón y geometr
ía de las barras rot
óricas determina
sección
geometría
rotóricas
determina sus
sus
propiedades el
éctricas y la forma de variaci
ón de é
stas con la
eléctricas
variación
éstas
velocidad de giro de la m
áquina
máquina
Control de las características
mecánicas de los motores de inducción
mediante el diseño del rotor
Ranura
Ranura
estat
órica
estatórica
Circuito equivalente de una
barra rotórica
La
La reactancia
reactancia de
de dispersión
dispersión
aumenta
aumenta con
con la
la profundidad
profundidad =
=
que
que el
el flujo
flujo de
de dispersión
dispersión
Flujo
Flujo de
de dispersión:
dispersión:
se
se concentra
concentra hacia
hacia
el
el interior
interior
Resistencia
Reactancia
dispersión
Simulación del efecto real
6000
6000
5000
5000
AA
4000
4000
3000
3000
60.69%
60.69%
2000
2000
41.93%
41.93%
DURANTE EL ARRANQUE
CIRCULA UN 41,93% DE
LA CORRIENTE POR LA
ZONA ROJA DE LA BARRA
1000
1000
0
0
1
1
3
3
5
5
7
7
9
9
11 13 15 17 19 21 23 25 27
11 13 15 17 19 21 23 25 27
Itotal
Itotal
800
800 A
A
700
700
600
600
500
500
400
400
300
300
200
200
100
100
0
0
1
3
5
1
3
5
Isup
Isup
Iinf
Iinf Nº
Nºbarra
barra
75.65%
75.65%
24.35%
24.35%
7
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27
Itotal
Itotal
Isup
Isup
Iinf
Iinf
Nº
Nºbarra
barra
MOTOR
MOTOR SIMULADO
SIMULADO
Fabricante:
Fabricante: SIEMENS
SIEMENS
Potencia:
Potencia: 11
11 kW
kW
Tensi
ón: 380
Tensión:
380 V
V
Corriente:
Corriente: 22
22 A
A
Velocidad
Velocidad :: 1450
1450 RPM
RPM
Polos:
Polos: 44
DURANTE EL FUNCIONAMIENTO EN CONDICIONES NOMINALES CIRCULA UN 24,35% DE LA
CORRIENTE POR LA ZONA
ROJA DE LA BARRA
Simulación del campo real
durante un arranque
Las
íneas de
Las llíneas
de campo
campo
se
se concentran
concentran en
en la
la
superficie
superficie
LÍNEAS DE CAMPO DURANTE
EL ARRANQUE
LÍNEAS DE CAMPO EN FUNCIONAMIENTO NOMINAL
Clasificación de los motores según
el tipo de rotor: Normas NEMA I
T/Tnom
3
2,5
2
Clase
Clase C
C
MOTOR CLASE A
z
Clase
Clase D
D
z
Clase
Clase A
A
Clase
Clase B
B
z
z
z
1,5
z
S
Par de arranque bajo
Par nominal con S<5%
Corriente arranque elevada 5
– 8 In
Rendimiento alto
Uso en bombas, ventiladores,
máquina herramienta, etc,
hasta 5,5 kW
Para potencias > 5,5 kW se
usan sistemas de arranque
para limitar la corriente
Clasificación de los motores según el
tipo de rotor: Normas NEMA II
MOTOR CLASE B
z
z
z
z
z
z
Par arranque similar clase A
Corriente arranque 25% <
clase A
Par nominal con S<5%
Rendimiento Alto
Aplicaciones similares al clase
A pero con < I arranque
Son LOS MÁS UTILIZADOS
MOTOR CLASE C (Doble jaula)
z
z
z
z
z
z
Par arranque elevado (2 veces
Tnom aprox.)
Corriente de arranque baja
Par nominal con S<5%
Rendimiento Alto
Aplicaciones que requieren
alto par de arranque
Tmax < clase A
MOTOR CLASE D
z
z
z
z
z
Par arranque muy elevado (> 3 Tnom)
Corriente de arranque baja
Par nominal con S elevado (7 –17%)
Rendimiento bajo
Aplicación en accionamientos intermitentes
que requieren acelerar muy rápido
Características mecánicas de las
cargas más habituales de los
motores de inducción
TR=K
TR=K*N2
z
z
z
z
Bombas centrífugas
Compresores centrífugos
Ventiladores y soplantes
Centrifugadoras
TR=K*N
z
z
Prensas
Máquinas herramientas
TR=K/N
z
z
Bobinadoras
Máquinas fabricación chapa
z
z
z
z
TRR
Máquinas elevación
Cintas transportadoras
Machacadoras y trituradoras
Compresores y bombas de
pistones
TRR=K**N22 TRR=K**N
TRR=K
TRR=K/N N
Arranque de los motores
asíncronos
Corriente
áxima
Corriente m
máxima
Corriente
ío
Corriente de
de vac
vacío
tras
tras alcanzar
alcanzar
velocidad
áxima
velocidad m
máxima
Arranque en
vacío
Duración del arranque
LA CORRIENTE
M
ÁXIMA NO DE
MÁXIMA
DEPENDE DE LA CARGA
Corriente
áxima
Corriente m
máxima
Corriente
Corriente nominal
nominal
tras
alcanzar
tras alcanzar
velocidad
áxima
velocidad m
máxima
Fabricante:
Fabricante: EMOD
EMOD
Potencia:
Potencia: 7,5
7,5 kW
kW
Tensi
ón: 380
Tensión:
380 V
V
Corriente:
Corriente: 17
17 A
A
Velocidad
Velocidad :: 946
946 RPM
RPM
Polos:
Polos: 66
Arranque a
plena carga
Duración del arranque
Arranque en Vacío
Arranque en Carga
Arranque de los motores
asíncronos
El
ímites para
El reglamento
reglamento de
de BT
BT establece
establece llímites
para la
la corriente
corriente de
de
arranque
íncronas. Por
arranque de
de los
los motores
motores as
asíncronas.
Por este
este motivo,
motivo, es
es
necesario
íficos para
necesario disponer
disponer procedimientos
procedimientos espec
específicos
para el
el arranque
arranque
Arranque
Arranque directo
directo de
de la
la red
red
Sólo válido en motores pequeños o
en las centrales eléctricas
Arranque
ón Sólo válido en motores de rotor
Arranque mediante
mediante inserci
inserción
bobinado y anillos rozantes
de
de resistencias
resistencias en
en el
el rotor
rotor
M
étodos de
Métodos
de
arranque
arranque
Arranque
ángulo El método más barato y utilizado
Arranque estrella
estrella –
– tri
triángulo
Arranque
Arranque con
con
autotransformador
autotransformador
Reducción de la tensión durante
el arranque mediante autotrafo
Arranque
Arranque con
con arrancadores
arrancadores
est
áticos
estáticos
Gobierno del motor durante el
arranque por equipo electrónico
Selección de un motor para
una aplicación específica
SELECCIONAR
CARCASA Y NIVEL DE
PROTECCIÓN (IP)
SELECCIONAR FORMA
NORMALIZADA DE
MONTAJE EN FUNCIÓN DE
UBICACIÓN
SELECCIÓNAR POTENCIA
EN FUCIÓN DE LA
POTENCIA NECESARIA
PARA ARRASTRA LA CARGA
SELECCIONAR CLASE DE
AISLAMIENTO EN FUNCIÓN
Tª ESPERADA Y AMBIENTE
DE TRABAJO
SELECCIONAR VELOCIDAD
(P) EN FUNCIÓN
VELOCIDAD CARGA
SELECCIONAR
CARACTERÍSTICA
MECÁNICA EN FUNCIÓN
DE PAR DE ARRANQUE Y
RESISTENTE DE LA CARGA
ABB – “Guide for selecting a motor”
La máquina síncrona:
generalidades
La máquina síncrona utiliza un
estator constituido por un
devanado trifásico distribuido
a 120º idéntico a la máquina
asíncrona
El rotor puede ser liso o de polos
salientes
El rotor está formado
por un devanado
alimentado desde el
exterior a través de
escobillas y anillos
rozantes mediante
corriente continua
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
La máquina síncrona:
generalidades
Rotor
Rotor
liso
liso
Líneas de
campo
Rotor
Rotor de
de
polos
polos
salientes
salientes
Sentido de las
corrientes por
el rotor
S
N
N
N
S
S
Elevadas velocidades de
giro: turboalternadores
Velocidades de giro
bajas
Motores síncronos
Catá
Catálogos comerciales
Generadores
síncronos
© L. Serrano: Fundamentos de
máquinas elé
eléctricas rotativas
© L. Serrano: Fundamentos de
máquinas elé
eléctricas rotativas
© L. Serrano:
Fundamentos de
máquinas elé
eléctricas
rotativas
Generadores síncronos
© L. Serrano: Fundamentos de
máquinas elé
eléctricas rotativas
© Mulukutla S. Sarma:
Sarma: Electric
machines
MÁQUINA SINCRÓNICA
Generator
Exciter
Vista de un generador síncrono de dos polos y excitatriz
Metal frame
Laminated iron
core with slots
Insulated copper
bars are placed in
the slots to form
the three-phase
winding
Detalle de un generador
Estator de un hidro-generador de polos salientes – muestra conductores
aislados y espaciadores
Rotor hidro-generador con una vista de los polos verticales
Slip
rings
Pole
Fan
DC excitation
winding
Rotor de cuatro polos salientes
Corte transversal de
una central hidráulica
Rotor
© Mulukutla S. Sarma:
Sarma: Electric
machines
AISLACIÓN DE LAS MÁQUINAS
ELÉCTRICAS
El aislamiento de la máquina eléctrica puede considerarse una
característica asociada a las fallas por lo que existen diferentes
métodos de medida para evaluar su condición.
El funcionamiento y la duración de una máquina eléctrica o de un
aparato electromecánico en general, depende esencialmente de
los aislantes, que constituyen la parte más sensible a las
solicitaciones térmicas, dieléctricas y mecánicas.
El desgaste de órganos de rozamiento, escobillas, colectores,
contactos etc. es un fenómeno controlable y por lo tanto sus
fallas son relativamente previsibles, pudiéndoselas evitar con un
adecuado programa de mantenimiento.
No se puede afirmar lo mismo para las fallas originadas por
alteraciones de los aislantes como consecuencia por ejemplo de
las solicitaciones centrífugas (en máquinas rotantes), vibraciones
de las bobinas dentro de las ranuras, solicitaciones
electrodinámicas (corrientes de cortocircuito), sobretensiones (de
frecuencia industrial, atmosféricas o de maniobra) y muy
particularmente solicitaciones de origen térmico.
Las cualidades fundamentales que debe poseer un aislante para
desempeñar bien su servicio son:
· elevada rigidez dieléctrica
· estabilidad dimensional y aptitud de conservar esta propiedad
en el tiempo
RIGIDEZ DIELECTRICA
A diferencia de los materiales ferromagnéticos que pueden ser
sometidos a elevados valores de inducción sin que se alteren sus
características estructurales, en un aislante inmerso en un campo
eléctrico, por desplazamiento de las órbitas de los electrones
periféricos, se producen solicitaciones que puede ser soportada
hasta un cierto límite, más allá del cual se verifica el fenómeno de la
descarga, con pérdida permanente o temporaria (descargas
parciales) de las cualidades del aislante. La descarga puede ser
autorregenerativa (aislamientos en aire o aceite) o no
autorregenerativa, cuando se produce un daño irreversible del
aislante.
Se denomina rigidez dieléctrica de un determinado material, el
gradiente eléctrico máximo que puede soportar. Su valor se puede
determinar experimentalmente mediante los procedimientos e
indicaciones establecidos por normas.
Cada material tiene su propia rigidez dieléctrica, pero su valor
depende de las dimensiones de los electrodos de ensayo, de las
condiciones ambientales en las cuales se realiza la prueba, y de la
duración de aplicación de la tensión.
Cuando el campo eléctrico aplicado es perpendicular al material
ensayado se define un valor de rigidez de masa, en cambio cuando
el mismo es paralelo a la superficie del material se define rigidez
superficial.
Para los materiales estratificados, a igualdad de espesor, la rigidez
aumenta con el número de estratos o capas que conforman el
aislamiento propiamente dicho.
La rigidez no es proporcional al espesor y para aislantes sólidos y
aceites varía con exponente igual a 2/3. La humedad reduce
fuertemente el valor de rigidez dieléctrica y los aislantes son tanto
más eficaces cuanto menos higroscópicos son.
La temperatura actúa de manera diversa según se trate de aislantes
sólidos o líquidos. En los aislante sólidos la rigidez decrece con el
aumento de la temperatura, en cambio para los líquidos ocurre
generalmente lo contrario.
La duración de la prueba, a igualdad de otras condiciones, influye
notablemente en la magnitud de la rigidez, disminuye para tiempos
crecientes y alcanza valores elevadísimos para tiempos muy breves
(sobretensiones de impulso).
La frecuencia de la tensión aplicada afecta el valor de rigidez, y para
una misma duración se tienen valores de rigidez más altos para
frecuencias más bajas y viceversa.
La rigidez superficial depende del estado en que se encuentra la
superficie del aislante, más que de su naturaleza, es decir,
superficies lisas, pulidas y secas presentan valores de rigidez
superiores. Los materiales aislantes inmersos en aceite se
comportan mejor que aquellos que se encuentran en aire.
DIELECTRICOS EN SERIE
Cuando se utilizan aislantes en serie que tienen distintas
constantes dieléctricas, el más solicitado de los materiales es aquel
que tiene la menor constante dieléctrica.
Al haber distintas capas de materiales si se supera la rigidez de un
aislante, puede ocurrir una descarga, esta situación es más
probable en el material con menor constante dieléctrica.
Veamos de una manera simple como ejemplo, que sucede en el espacio de
aire comprendido entre un conductor de sección rectangular y la pared de
la ranura en la cual se encuentra contenido según la figura de la diapositiva
siguiente:
El conductor está aislado contra masa con
micanita (εr = 5) cuyo espesor es l1 y entre
la pared de la ranura y el aislamiento del
conductor se tiene un delgado estrato de
aire (ε r = 1) cuyo espesor es l2.
Siendo U la tensión aplicada
entre la pared de la ranura y
el conductor se determina el
gradiente en el aire con la
expresión:
Esta situación provoca descargas parciales en el estrado de aire,
con transformación de oxígeno en ozono y en compuestos
nitrados, que lentamente alterar las características del aislamiento
del conductor, y que pueden conducir a la descarga o falla del
aislamiento.
La más oportuna disposición de aislantes en serie es aquella para
la cual se utilizan materiales que tienen igual valor del producto de
su constante dieléctrica por su rigidez dieléctrica (en la práctica
valores no muy diferentes).
En consecuencia es necesario eliminar el aire interior de los aislantes,
ocupando todos los posibles huecos, para lo cual se utilizan distintos
procedimientos de impregnación.
RESISTIVIDAD DE MASA
Las normas establecen la metodología para realizar medidas de resistividad
de masa de materiales dieléctricos sólidos. La resistividad se reduce
fuertemente con el aumento de la temperatura y de la humedad.
La medida de la resistencia de aislamiento de las máquinas y de los
aparatos es útil para determinar si se pueden realizar los ensayos
dieléctricos que establecen las normas, cuyo objeto es demostrar que la
máquina o aparato ensayado es capaz de soportar las solicitaciones
dieléctricas que pueden presentarse durante su utilización.
Los estratos de aire presentan una resistividad prácticamente infinita, pero
en cambio la tensión de perforación es relativamente baja, es decir, no
existe ninguna relación entre resistividad y rigidez dieléctrica.
Cuando se realizan controles periódicos de resistividad, y se los compara
con el valor inicial, las pruebas se deben realizar siempre (de ser posible
para que sean comparables) en las mismas condiciones de temperatura y
con los mismos valores de tensión y tiempo de aplicación.
La medición de la resistencia de aislamiento, interpretada correctamente,
resulta útil para determinar el estado de conservación de un aislamiento.
Existe una corriente de absorción que decrece lentamente en el tiempo y que
aparentemente no tiene explicación analíticamente.
Como vimos los aislantes son dieléctricos imperfectos porque se polarizan
bajo la acción de un campo eléctrico.
Existen tres clases de polarización de diferente naturaleza:
1. Electrónica
2. Iónica
3. Dipolar
Las dos primeras corresponden al desplazamiento de los electrones respecto
al núcleo de los átomos y al desplazamiento de los iones entre sí,
respectivamente, bajo la acción de un campo eléctrico externo (se lo
denomina polarización por deformación). Existe un desplazamiento de
cargas en dirección del campo eléctrico (se establece rápidamente).
La dipolar se caracteriza por la orientación en el campo eléctrico de las
moléculas polares con momentos dipolares propios. Aparece en gases,
líquidos y aislantes viscosos amorfos porque en los sólidos casi no tienen
movimiento. Requiere un tiempo mucho mayor y se dice que pertenecen
al tipo de polarización lenta o de relajamiento.
La orientación de las moléculas dipolares es la explicación mas clara de la
aparación de la corriente de absorción.
O sea, dadas las propiedades dieléctricas del dieléctrico del
aislante se conforman cargas volumétricas redistribuidas bajo la
influencia del campo eléctrico produciéndose el fenómeno de
polarización.
Se produce acumulación de cargas eléctricas en las superficies de
separación de diferentes dieléctricos incluso en las acuosas. Son
lentas y pertenecen al tipo de polarización de relajamiento
(minutos incluso horas).
El siguiente cuadro resume estos conceptos:
Dada la capacidad Co definida
como
la
capacidad
correspondiente
a
los
electrodos, si estos, en lugar de
comprender al sistema aislante,
se encontraran en el vacío.
Por lo tanto la capacidad total
será:
C = εv Co + εg
Co = Cv + Cg
C = capacidad variable + capacidad geométrica
La figura muestra la variación de la permeabilidad variable (εv )
depende fuertemente en los dieléctricos heterogéneos con
polarización por migración, de la mayor o menor presencia de
humedad en ellos. Esto explica porque varía con el tiempo y
también porque los índices asociados a la polarización son
sensibles a la presencia de humedad en la aislación.
La corriente de fuga está integrada por tres componentes:
If (corriente de fuga) = corriente
capacitiva + corriente de
conducción + corriente que
disminuye con el tiempo
El modelo circuital sería:
Constante dieléctrica: Determina la corriente de carga capacitiva de fuga
(K) . Relación entre C y Co (capacidad con dieléctrico de aire) . Luego el
valor de C se hace K veces mayor que la unidad Co .
Factor de potencia: Coseno del ángulo entre la tensión y la corriente (θ).
El índice de pérdidas dieléctricas:
SIC = K cos (θ)
Esta es una magnitud relativa de las pérdidas dieléctricas de los aislantes.
Se define como coeficiente de pérdida dieléctrica a la tangente del
complemento del ángulo de fase entre la corriente eficaz absorbida y la
tensión sinusoidal aplicada a un capacitor real. La figura anterior permite
deducir la siguiente ecuación:
I cos (θ) = U ω C tg δ
P = U I cos (θ) = 2 π f C U2 tg δ
Se pueden distinguir dos principales causas que son las pérdidas por
conducción y las pérdidas por polarización.
Las pérdidas en los dieléctricos de las máquinas industriales son
generalmente despreciables, a los efectos de la dispersión de energía,
pero su magnitud constituye un índice significativo para el
conocimiento de las condiciones en las cuales se encuentra el
aislamiento general de una máquina y poder evaluar su estado de
envejecimiento.
Los aceites que tienen un contenido de impurezas mayor que otros, o
que tienen un notable contenido de humedad residual, tienden a
aumentar su conductibilidad mucho más rápidamente, con el
aumento de la temperatura.
La Figura en la diapositiva siguiente muestra el comportamiento
típico de la tangente delta en función de la temperatura de aceite
mineral para diferentes condiciones de envejecimiento.
Se indican en la figura las siguientes zonas:
1- aceite nuevo
2- aceite envejecido en ausencia de degradamiento del aislamiento
3- aceite envejecido en presencia de degradamiento del aislamiento
La Figura que sigue muestra el comportamiento característico de
tangente delta en función de la temperatura, para aislamientos en
papel impregnado en aceite, y se comparan aislamientos en
buenas condiciones con algunos comportamientos anormales
debidos a causas diversas.
Se indican en la figura las siguientes zonas:
1- aislamiento en buenas condiciones
2- aislamiento contaminado
3- aislamiento con presencia de humedad residual (2..5% en
peso)
Dentro de los límites de funcionamiento normal de las máquinas, el
valor de tangente delta no está sensiblemente ligado a la frecuencia ni
al campo eléctrico, en cambio la temperatura resulta el parámetro que
más influye.
En general la medida de tangente delta constituye un importante
elemento de diagnóstico para el control de la calidad de fabricación de
aislamientos nuevos (bobinas de alternadores), evaluar las condiciones
de envejecimiento de aislamientos en servicio.
Su medición permite la evaluación del resultado de pruebas
dieléctricas, poniendo en evidencia eventuales alteraciones de
naturaleza físico-química o bien degradamientos del dieléctrico
durante las pruebas. Es importante tener claro que no resulta fácil
emitir un juicio acerca de un determinado valor de medición de
tangente delta, cuando no se dispone de otras medidas comparativas.
Componentes de la corriente de prueba
Si se aplica un voltaje de prueba a través de una pieza de aislamiento,
luego por medición de la corriente resultante y aplicando la Ley de
Ohm (R = E / I), como vimos fluye más de una corriente, por lo que no
es tan sencillo.
Corriente de carga capacitiva
Esta corriente inicialmente es grande pero su vida es relativamente corta,
cae exponencialmente a un valor cercano a cero conforme el objeto bajo
prueba se carga. El material aislante se carga del mismo modo que el
dieléctrico de un capacitor.
Corriente de absorción o polarización
La corriente de absorción está compuesta realmente hasta por tres
componentes, que decaen con un índice de decrecimiento a un valor cercano
acero en un periodo de varios minutos. La primera es ocasionada por una
deriva general de electrones libres a través del aislamiento bajo el efecto del
campo eléctrico. La segunda es ocasionada por distorsión molecular por la
que el campo eléctrico impuesto distorsiona la carga negativa de las capas
de electrones que circulan alrededor del núcleo hacia el voltaje positivo. La
tercera se debe a la alineación de moléculas polarizadas dentro del campo
eléctrico aplicado. Esta alineación es casi aleatoria en un estado neutro,
pero cuando se aplica un campo eléctrico, estas moléculas polarizadas se
alinean con el campo a un mayor o menor grado. Las tres corrientes se
consideran generalmente juntas como una sola corriente y son afectadas
principalmente por el tipo y las condiciones del material de unión usado en
el aislamiento. Aunque la corriente de absorción se aproxima a cero, el
proceso toma mucho más tiempo que con corriente capacitiva.
Alineación de moléculas
polarizadas
La
polarización
de
orientación se incrementa
con la presencia de
humedad
absorbida
puesto que los materiales
contaminados están más
polarizados.
Esto
incrementa el grado de
polarización.
No todos los materiales poseen las tres componentes y, por cierto, los
materiales tales como el polietileno, exhiben poca, si alguna, absorción
por polarización.
Corriente de fuga superficial
La corriente de fuga superficial se presenta porque la superficie del
aislamiento está contaminada con humedad o con sales. La corriente es
constante con el tiempo y depende del grado de ionización presente, que
depende a la vez de la temperatura. Con frecuencia se ignora como
corriente separada y se incluye con la corriente de conducción como la
corriente de fuga total.
Corriente de conducción
La corriente de conducción es estable a través del aislamiento y
generalmente se representa por un resistor de valor muy alto en paralelo
con la capacitancia del aislamiento.
Es una componente de la corriente de fuga, que es la corriente que se
mediría cuando el aislamiento está totalmente cargado y tiene lugar la
absorción plena. Nótese que incluye la fuga superficial, que puede
reducirse o eliminarse por el uso de la terminal de guarda.
La gráfica siguiente muestra la naturaleza de cada una de las
componentes de corriente con respecto al tiempo
La corriente total es la suma de estas componentes. (La corriente
de fuga se muestra como una corriente). Esta corriente es la que
puede medirse directamente por medio de un micro ampérmetro o,
en términos de megaohms, a un voltaje particular por medio de un
MEGGER. Algunos instrumentos ofrecen las alternativas de
desplegar una medición en términos de corriente o como una
resistencia.
Debido a que la corriente total depende del tiempo que se aplica el
voltaje, la Ley de Ohm (R = E / I) sólo se mantiene, teóricamente,
para un tiempo infinito (lo que implica esperar para siempre al
tomar una lectura). También es altamente dependiente del
arranque de un nivel base de descarga total. El primer paso en
cualquier prueba de aislamiento es, por tanto, asegurar que el
aislamiento esté completamente descargado.
Nótese que:
La corriente de carga desaparece relativamente rápido conforme se
carga el equipo bajo prueba. Las unidades grandes con más
capacitancia tomarán más tiempo para cargarse.
Esta corriente almacena energía y, por razones de seguridad, debe
descargarse después de la prueba. Afortunadamente, la descarga de
esta energía tiene lugar relativamente rápido. Durante la prueba, la
corriente de absorción decrece con una rapidez relativamente baja,
según la naturaleza exacta del aislamiento. Esta energía almacenada,
también, debe liberarse al final de la prueba, y requiere mucho más
tiempo para descargarse que la corriente de carga de la capacitancia.
Efectos de la contaminación:
Hay muchos factores que afectan la resistencia de aislación. La
Corriente de fuga superficial depende de la materia foránea sobre la
superficie (aceite, polvo de carbón, sales, polov, etc) de los bobinados.
La corriente de pérdida por este problema puede ser importante
disminuyendo la resistencia de aislación. (puede ser muy alta en
rotores de grandes generadores y máquinas de CC). Las figuras de la
siguiente diapositiva ilustran esto:
Efectos de la temperatura:
La alta temperatura afectan tanto la resistencia de aislación como la del
conductor. Existe un término llamado coeficiente de temperatura (KTT) que
puede ser positivo o negativo. Si es positivo con la temperatura la
resistencia crecerá y si es negativa decrecerá.
En los metales la temperatura introduce una gran agitación térmica y
reduce el
el movimiento
movimiento de
de los electrones libres.
Por eso los conductores aumentan su resistencia con la temperatura y el
valor de KT será positivo. El valor de KT será negativo para la aislación.
En realidad afecta todas las corrientes menos la corriente capacitiva
geométrica.
El método recomendado para obtener datos de una resistencia versus la
temperatura del bobinado es realizando varias medidas con diferentes
temperaturas del bobinado (todas arriba del punto de rocio). Los
valores de la resistencia de aislación son corregidos a una base de 40ºC
de temperatura.
EFECTO DE LA HUMEDAD
Si la materia está debajo del punto de rocio una película de humedad se
establece sobre la superficie de la aislación. El efecto será mas
pronunciado si además hay contaminación presente.
La humedad absorbida incrementa la corriente de conducción (IG) y
reduce significativamente la resistencia de aislación.
Es importante evitar la condensación de humedad sobre la máquina
eléctrica cuando se encuentra detenida.
BOBINADOS
¾ a) Bobinados concéntricos,
los conductores activos de
una fase son unidos por
cabezas concéntricas
¾ b) Bobinados excéntricos,
los conductores son unidos
por cabezas que resultan
todas iguales
Colocación de las bobinas en las ranuras y de las cuñas.
bobina en la ranura
Cu
ña en las ranuras
Cuña
Refuerzo de aislante y cuña
de madera
Amarre de las bobinas
Conexión de los grupos de
bobinas
Placa de bornes
• Se debe realizar una prueba de
continuidad y medición de resistencia de
los devanados de cada fase
• Una diferencia puede poner en evidencia
alguna conexión o soldadura deficiente
Comprobado que las conexiones son correctas se debe eliminar la
humedad
• Antes de la impregnación las bobinas se calentarán a una
temperatura de 105 a 110°C, se mantendrá esta temperatura durante
el tiempo necesario para que la evaporación del agua sea lo más
completa posible
• Este tiempo dependerá de la masa a calentar, del gradiente térmico
del horno, y variará en función de la humedad relativa ambiente.
RODAMIENTOS
Rodamientos
para
cargas
radiales.
Pueden
soportar
preferentemente cargas dirigidas
en la dirección perpendicular al
eje de rotación.
Rodamientos para cargas axiales.
Pueden soportar cargas que actúen
únicamente en la dirección del eje de
rotación. A su vez pueden ser:
rodamientos de simple efecto, que
pueden recibir cargas axiales en un
sentido, y rodamientos de doble efecto,
que pueden recibir cargas axiales en
ambos sentidos.
Rodamientos para cargas mixtas.
Pueden soportar esfuerzos radiales,
axiales o ambos combinados.
CLASIFICACIÓN SEGÚN EL TIPO DE
RODANTES UTILIZADOS:
Rodamientos de bolas. Son adecuados
para altas velocidades, alta precisión,
bajo par torsional, baja vibración.
Rodamientos de rodillos. Los rodillos pueden ser de
diferentes formas: cilíndricos, cónicos, forma de tonel
(la generatriz es un arco de circunferencia) y de
agujas (cilindros de gran longitud y pequeño
diámetro). Se caracterizan por tener una gran
capacidad de carga, asegurando una vida y
resistencia a la fatiga prolongadas.
DETALLES:
El gráfico de la diapositiva
Siguiente exhibe esta relación.