Máquinas eléctricas I

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Máquinas eléctricas I

  1. 1. MÁQUINAS ELÉCTRICAS IELECTROTÉCNIALuis Miguel GARCÍA GARCÍA-ROLDÁNDepartamento de TecnologíaIES Cap de Llevant – MAÓ
  2. 2. MÁQUINAS ELÉCTRICAS Análisis de las aplicaciones de electromagnetismoen nuestro entorno y en la generación,transformación y utilización de la energía eléctrica. Transformadores. Funcionamiento. Constitución.Pérdidas. Rendimiento. Tipos y aplicaciones. Máquinas de corriente continua. Funcionamiento.Tipos. Conexiones. Máquinas de corriente alterna. Funcionamiento.Tipos. Conexiones.2
  3. 3. MÁQUINAS ELÉCTRICASMáquinas eléctricas I
  4. 4. MÁQUINAS ELÉCTRICAS4
  5. 5. 5CLASIFICACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS (I)Generan energía eléctrica a partir de energíamecánicaTransforman la corriente eléctrica variando algunade sus características (I, V)GENERADORESTRANSFORMADORESMOTORES Aprovechan la energía eléctrica para transformarlaen energía mecánicaMÁQUINA ELÉCTRICA
  6. 6. 6CLASIFICACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS (II)Generadores Motores TransformadoresMÁQUINASELÉCTRICAS DE CORRIENTE CONTINUA DE CORRIENTE ALTERNA:monofásicos o trifásicos. UNIVERSALES DINAMOS: generancorriente continua ALTERNADORES:generan corrientealterna MONOFÁSICOS TRIFÁSICOS
  7. 7. CLASIFICACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS (III)7MÁQUINAS ELÉCTRICASDE CORRIENTECONTINUADE CORRIENTE ALTERNASÍNCRONASASÍNCRONAS O DEINDUCCIÓN Un convertidor es una máquina que transforma la corriente alterna encorriente continua Un inversor es una máquina que transforma la corriente continua encorriente alterna
  8. 8. CLASIFICACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS (IV)8MÁQUINASELÉCTRICASROTATIVASMOTORESGENERADORESESTÁTICASTRANSFORMADORESCONVERTIDORESINVERSORES
  9. 9. 9RÉGIMEN DE FUNCIONAMIENTO DE LASMÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVASCuando no está conectado a un circuito exteriorTrabaja en las condiciones para las que ha sidodiseñado. No hay peligro de calentamientos oroturasEN VACÍORÉGIMEN NOMINALPLENA CARGA Cuando trabaja exactamente a su valor nominalMÁQUINA ELÉCTRICAROTATIVASOBRECARGA Cuando trabaja a una potencia mayor a la nominal
  10. 10. PÉRDIDAS EN LAS MÁQUINAS ELÉCTRICASROTATIVASDe fricción o ventilación, debidas al rozamiento delas diferentes piezas móviles y la circulación deaire para refrigeraciónPérdidas en el cobre debido a efecto JouleMECÁNICASELÉCTRICASMAGNÉTICASPérdidas en el hierro debidas a las variaciones enlos campos magnéticos y a la frecuencia con laque lo hacenPÉRDIDAS DE UNAMÁQUINA ELÉCTRICAROTATIVA10
  11. 11. RENDIMIENTO EN LAS MÁQUINASELÉCTRICAS ROTATIVAS11 El rendimiento de una máquina es la relación que hay entrela energía total que consume y el trabajo que producealimperdalimalimsalidaPPPPPη
  12. 12. TRANSFORMADORESMáquinas eléctricas I
  13. 13. EL TRANSFORMADOR13
  14. 14. FUNCIONES DE LOS TRANSFORMADORESLas principales funciones de los transformadores son: Elevar el voltaje Disminuir el voltaje Protección de circuitos por aislamiento (separaciónfísica) Sensores de posición y movimiento inductivos conectar dos sistemas de transmisión de tensionesdiferentes (autotransformadores)14
  15. 15. CLASIFICACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES15TRANSFORMADORESDE POTENCIA(variar valores detensión)ELEVADORESREDUCTORESAUTOTRANSFORMADORESDE MEDIDA(reducir grandestensiones ointensidades parapoder medirlas)DE INTENSIDADDE TENSIÓN
  16. 16. SIMBOLOGÍA DE LOS TRANSFORMADORES16
  17. 17. ESTRUCTURA INTERNA DE LOSTRANSFORMADORES MONOFÁSICOSnúcleo ferromagnético: es un bloque formado porchapas de un material ferromagnético (acero y silicio)aisladas entre sí para evitar corrientes parásitas. Laschapas verticales se llaman columnas y lashorizontales yugos. Es el encargado de canalizar almáximo el flujo electromagnético entre los bobinadosbobinados: Están fabricados con hilo de cobrebarnizado para aislarlas eléctricamente. En la bobinaprimaria se aplica la tensión de entrada y en labobina secundaria se inducen las corrientes quealimentan a la carga17 Los transformadores monofásicos están formados por dos partes:
  18. 18. POSICIÓN DE LAS BOBINASDevanado simétrico: cada bobina enrollada en unacolumnaDevanado concéntrico: la bobina de alta tensión secoloca sobre la de baja perfectamente aislada. Sefavorece así el aislamiento del núcleo y de la bobina dealta tensiónDevanado alterno: bobinas concéntricas pero en las doscolumnasDevanado acorazado: núcleo de tres columnas ybobinas concéntricas en la central18
  19. 19. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO (I)19 La bobina primaria está conectada a una tensión Vp que genera unacorriente Ip por ella; ésta genera a su vez un campo magnético de flujo Φque recorre el núcleo induciendo una tensión Vs en la bobina secundariay una corriente Is cuando se conecta a una carga La tensión Vs en la bobina secundaria se induce gracias a que el flujomagnético no es constante, sino que varia en el tiempo al ser debido auna tensión sinusoidal (Ley de Faraday)l)Bxv(NΔtΔΦεpp Vε
  20. 20. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO (II)20 Es difícil conocer la polaridad de la tensión de salida Vs ya que habríaque comparar los sentidos de enrollamiento de los dos bobinados. Poreste motivo se define el convenio de puntos
  21. 21. RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN (I)21 La relación de transformaciónes el principal parámetro quedefine a un transformador, yes la relación que hay entrelas fuerzas electromotrices enel primario y secundarioΔtΔΦNε ppΔtΔΦNε ssspsptNNεεmr
  22. 22. RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN (II)22 Suponiendo un transformador ideal, sin pérdidas, la relación detransformación será la relación entre las tensiones en el primario ysecundariospsptNNVVmr
  23. 23. RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN (III)23ΔtΔΦNΔtΔΦNεpdisp,pcpp Si el transformador es real, con pérdidas (por histéresis, por corrientesparásitas y/o por pérdidas en el cobre por efecto joule), no todo el flujocreado en el primario se transmite por el núcleo; sino que una parte deflujo se pierde, es el flujo de dispersión. Lo mismo ocurrirá en elsecundariopdisp,cp ΦΦΦΔtΔΦNΔtΔΦNεsdisp,scsssdisp,cs ΦΦΦsdisp,cpdisp,c ΦΦyΦΦconspsptVVNNr
  24. 24. COMPORTAMIENTO DE UN TRANSFORMADORMONOFÁSICO CON CARGA (I)24ΔtΔΦNεppp La corriente que se induce en el secundario genera una fuerzamagnetomotriz (FMM=N· I), equivalente a la fuerza electromotriz en loscircuitos eléctricos, que provoca una variación del flujo magnético en elnúcleo.Esta variación del flujo debería provocar una variación de εp ya quesspptotal ININFMMpssptIINNmr Pero εp =cte porque εp =Vp que lo es. En realidad lo que ocurre es quese modifica ligeramente el valor de la corriente en el primario paracompensar la variación del flujo debido a la del secundario
  25. 25. COMPORTAMIENTO DE UN TRANSFORMADORMONOFÁSICO CON CARGA (II)25 Un transformador monofásico tiene una relación de transformación de230/110V. Si trabaja en condiciones nominales , suministra unapotencia a la carga de 200W con un factor de potencia de 0.85.Determina el valor de las corrientes en el primario y en el secundario2.09110V230VVVrspt___EJERCICIO___2.14A110V·0.85200WcosVPIss1.02A2.092.14AIItspr
  26. 26. CIRCUITO EQUIVALENTE DE UNTRANSFORMADOR MONOFÁSICOMáquinas eléctricas I
  27. 27. CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN TRANSFORMADORMONOFÁSICO27
  28. 28. PÉRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORESMONOFÁSICOS (I)pérdidas en el cobre (Rp, Rs): debidas a las resistencia eléctricatanto en el primario como en el secundariopérdidas por corrientes parásitas (Rc): debidas a la resistenciaen el núcleo ferromagnético. La corriente de pérdida Ife seráproporcional a la tensión aplicada en el núcleo, que está en fasecon la aplicada en el primario, por lo que equivale a unaresistencia eléctrica Rc en paralelo con la bobina primaria28
  29. 29. PÉRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORESMONOFÁSICOS (II)pérdidas por histéresis (Xm): debidas al diferente recorrido de laslíneas de campo magnético en cada semiciclo de la señalsinusoidal aplicada. La corriente de magnetización Im seráproporcional a la tensión aplicada a en el núcleo, pero desfasada90º, por lo que equivale a una reactancia inductiva Xm en paralelopérdidas a causa de los flujos de dispersión (Xp, Xs): debidas alos flujos de dispersión tanto en el primario como en elsecundario. Se representan por sendas bobinas en serie con losbobinados de reactancias Xp y Xs respectivamente29
  30. 30. CIRCUITO EQUIVALENTE SIMPLIFICADO DE UNTRANSFORMADOR MONOFÁSICO30 Para simplificar el circuito equivalente, se pueden suprimir las ramasde excitación ya que las corrientes por ellas son despreciables frente ala corriente de carga Otra simplificación consiste en desplazar la rama de excitación deentrada a la salida, con lo que pueden sumarse las resistencias y lasreactancias inductivas del primario con las del secundariospeqspeqXXXRRR
  31. 31. 31DIAGRAMA VECTORIAL DE UNTRANSFORMADOR MONOFÁSICO CON CARGA (I) Una vez hallado el circuito equivalente de un transformador monofásico,veremos como se comporta al ponerle cargas de diferente naturaleza.Nos interesa conocer como son las FEM en el primario y secundariocomparadas con las tensiones Vs y Vp . (idealmente serán iguales al noexistir pérdidas)
  32. 32. 32DIAGRAMA VECTORIAL DE UNTRANSFORMADOR MONOFÁSICO CON CARGA (II) Con carga inductiva: Is está retrasada respecto de Vs un ángulo φs .Entonces la FEM generada en el secundario será mayor que la tensiónde salidass Vεssssss IXIRVεpppppp IXIRVε Con carga capacitiva: Is está adelantada respecto de Vs un ángulo φs .Entonces la FEM generada en el secundario será mayor o menor que latensión de salida en función de los valores
  33. 33. 33DIAGRAMA VECTORIAL DE UNTRANSFORMADOR MONOFÁSICO CON CARGA (II) Con carga resistiva: Is y Vs están en fase. Entonces la FEM generadaen el secundario será mayor que la tensión de salidass Vεssssss IXIRVε
  34. 34. 34DIAGRAMA VECTORIAL DE UN TRANSFORMADORMONOFÁSICO CON CARGA (III) Normalmente se representa enun mismo diagrama vectorialtanto el primario como elsecundario En la imagen vemos el caso deuna carga inductiva, donde: Los factores de potenciaen el primario y en elsecundario son diferentes εs> Vs y Vp > εp εs y εp están relacionadasa través de rt
  35. 35. REGULACIÓN DE VOLTAJE EN LOSTRANSFORMADORES35 A la vista de los diagramas vectoriales de un transformador monofásicoreal con carga, podemos comprobar como la tensión de salida Vs varíaen función del valor de la carga aunque la tensión de entrada Vppermanezca constante. Se define la regulación de voltaje (RV) como la relación entre lastensiones de salida en vacio Vso y con carga Vspc(%)100VVVRVspcspcso Interesa que sea pequeña para que sean lo más parecidas posible
  36. 36. ENSAYOS DE UN TRANSFORMADOR (I)36 Se aplica una tensión nominal Vpo en el primario y se deja el secundarioen circuito abierto. Sólo existe corriente Ip, mientras que Is = 0 Rp y Xp son despreciables frente a Rc y Xm por lo que se miden Vpo , Ipo yla potencia de entrada, con lo que se puede calcular el factor de potencia(cosφp) y la impedancia de las ramas de excitación (que será Rc y Xm ) La potencia consumida corresponde a las pérdidas magnéticas (porhistéresis y corrientes parásitas)ENSAYO EN VACÍO Se usan para determinar los parámetros del modelo de un transformador.Existen dos tipos de ensayo: en circuito abierto o en vacío y encortocircuito
  37. 37. ENSAYOS DE UN TRANSFORMADOR (II)37 Se deja el secundario en cortocircuito y se aplica una tensión nominalVpcc en el primario que se regula hasta que por las bobinas circulan lascorrientes nominales Se miden Vp , Ip y la potencia de alimentación. La Vp es muy baja y laimpedancia de las ramas de excitación es muy grande, por lo que lascorrientes por Rc y Xm son despreciables y la caída de tensión en eltransformador es debida a Rp, Xp , Rs y Xs Se puede calcular la impedancia total de los elementos en serie La potencia consumida corresponde a las pérdidas en el cobre. Sonproporcionales a la corriente de carga Is (o a la potencia aparente)ENSAYO EN CORTOCIRCUITO
  38. 38. ENSAYOS DE UN TRANSFORMADOR (III) Se ensaya en cortocircuito un transformador monofásico de 12KVA,6200/230V y 50Hz. Las medidas leídas son: 245V, 172W y 1.93A.Determina la intensidad nominal en el primario, la tensión encortocircuito expresada como porcentaje de la nominal, la resistencia,impedancia y reactancia en cortocircuito y el factor de potencia en esteensayo38___EJERCICIO___245VVccA93.16200V12000VAVSIpnnn3.95%0.03956200V245VVVVpncccc
  39. 39. ENSAYOS DE UN TRANSFORMADOR (IV) Se ensaya en cortocircuito un transformador monofásico de 12KVA,6200/230V y 50Hz. Las medidas leídas son: 245V, 172W y 1.93A.Determina la intensidad nominal en el primario, la tensión encortocircuito expresada como porcentaje de la nominal, la resistencia,impedancia y reactancia en cortocircuito y el factor de potencia en esteensayo39___EJERCICIO___126.9 Ω1.93A45V2IVZpncccc46.1 ΩA1.93172WIPR 222pncccc118.23Ω46.1126.9RZX 222cc2ccccΩ36.0245V·1.93A172WIVPcpnccccos
  40. 40. 40EFICIENCIA DE UN TRANSFORMADOR (I) El rendimiento o eficiencia de un transformador será la relaciónentre la potencia útil y la potencia total consumida .núcleocobresalsalsalsalentsalPPPPPPPPηpérdidasssssal cosIVPpppent cosIVP2seq2ss2ppcobre IRIRIRPnúcleocobre PP El rendimiento es máximo cuando
  41. 41. EFICIENCIA DE UN TRANSFORMADOR (II) Un transformador monofásico de 53KVA trabaja a plena carga con unacarga inductiva y un factor de potencia de 0.86. En el ensayo de vacíoconsume 800W, y en el de cortocircuito 1300W a la intensidad nominal.Determina la potencia suministrada por el secundario, la absorbida enel primario y el rendimiento cuando trabaja a plena carga41___EJERCICIO___45.58KW8653000VA·0.ScosIVcosPs47.68KW0.8KW1.3KW45.58KWPPPP núcleocobresp95.6%η0.95647.68KW45.58KWPPηps
  42. 42. OTROS TIPOS DETRANSFORMADORES DEPOTENCIAMáquinas eléctricas I
  43. 43. TRANSFORMADOR CON DERIVACIÓN43
  44. 44. AUTOTRANSFORMADOR (I)44
  45. 45. 45AUTOTRANSFORMADOR (II) En un autotransformador se habla de lado de alta y lado de baja. El autotransformador puede ser elevador o reductor.csHcLVVVVVcHLsHIIIII
  46. 46. 46AUTOTRANSFORMADOR (III) El autotransformador tiene la desventaja de que su impedanciainterna es menor que la de un transformador, por lo que es difícillimitar la corriente que lo atraviesa en caso de cortocircuitoscscNNVVcsscNNIIsccLHHLNNNIIVVscctNNNmr
  47. 47. TRANSFORMADOR TRIFÁSICO (I)47
  48. 48. TRANSFORMADOR TRIFÁSICO (II)El núcleo tiene tres columnas, siendo la central el doble de anchaya que por ella pasa todo el flujo magnético mientras que por laslaterales solo la mitadSobre cada columna se monta concéntricamente el primario y elsecundario de una fase respectivamente; pudiendo estar los tresprimarios y los tres secundarios en triángulo o estrella. Por lo quehabrá cuatro posibles conexiones: estrella-estrella, estrella-triángulo, triángulo-estrella y triángulo-triángulo48
  49. 49. TRANSFORMADOR TRIFÁSICO (III)49
  50. 50. 50TRANSFORMADOR TRIFÁSICO (IV) Veamos como relacionamos la relación de transformacióncompuesta con las relaciones de transformación de cadatransformador para cada una de las configuracionesLSLPctcVVmr Se denomina relación de transformación compuesta (rtc) alcociente entre las tensiones de línea del primario y las delsecundario cuando el transformador trabaja en vacío
  51. 51. TRANSFORMADOR TRIFÁSICO (V)51
  52. 52. TRANSFORMADOR TRIFÁSICO (VI)52
  53. 53. TRANSFORMADOR TRIFÁSICO (VII) Un transformador trifásico conectado en triángulo estrella tiene tresbobinas primarias de 100 espiras cada una y tres secundarias de 200espiras cada una. Si la tensión de línea es de 400V 50Hz, ¿Cualesserán las tensiones de línea y fase en el secundario?53___EJERCICIO___5.0200100NNsptr800V0.5400VrVVtps1385V3800V3VV sLS400V)V(Vporque FL
  54. 54. TRANSFORMADOR TRIFÁSICO (VIII) Se conecta a un transformador trifásico triángulo-estrella de 50KVA,6000/380V y 50Hz una carga trifásica equilibrada inductiva con unfactor de potencia de 0.8. Determina las intensidades nominales delínea y de fase en el primario y en el secundario, y la potencia activaque suministra54___EJERCICIO___estrellaunaseral78.51380V6000VVVrLsLptcA81.436000V·50000VA3VSILpLp75.96AII LssA77.2315.7875.96A3rIrIItcstspA96.753380V·50000VA3VSILsLs)rI(I tcLpLs40KWVA·0.800005ScosIVcos3P
  55. 55. TRANSFORMADOR TRIFÁSICO (IX) Se conecta a un transformador trifásico estrella-triángulo de 50KVA,6000/380V y 50Hz una carga trifásica equilibrada inductiva con unfactor de potencia de 0.8. Determina las intensidades nominales delínea y de fase en el primario y en el secundario, y la potencia activaque suministra55___EJERCICIO___estrellaunaseral78.51380V6000VVVrLsLptcA81.436000V·50000VA3VSILpLpA81.4II Lpp43.84A384.81A·15.73rIrII tcptpsA96.753380V·50000VA3VSILsLs)rI(I tcLpLs40KWVA·0.800005ScosIVcos3P
  56. 56. TRANSFORMADORES DE MEDIDAMáquinas eléctricas I
  57. 57. TRANSFORMADOR POTENCIAL57
  58. 58. TRANSFORMADOR DE CORRIENTE58

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