CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES ELÉCTRICOSSe clasifican en dos grandes grupos, según el tipo de red eléctrica a la que se encuentrenConectadas. Así, se tienen:- Motores eléctricos de corriente alterna.- Motores eléctricos de corriente continua; (normal y pasa a paso)A su vez, en las máquinas de corriente alterna la generación del campo magnético excitador se puedeLlevar a cabo:- Mediante corriente alterna, en las máquinas asíncronas.- Por medio de corriente continua, en las máquinas síncronas.Debido a su reversibilidad, estos tipos de máquinas eléctricas rotativas pueden funcionar:· Como motores, transformando la energía eléctrica en energía mecánica.· Como generadores, transformando la energía mecánica en eléctrica.

2. MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA2.1. Descripción física de un motor de corrienteContinua

En la figura se representa el esquema de una máquina de corrienteContinua genérica de dos polos, que puede actuar como motor y como generador. Esta máquina está constituida por los siguienteselementos:

El estator, que mediante el devanado inductor o de excitación es el encargado de generar y conducir el campo magnético de excitación. El estator está formado por una corona de material ferromagnético, denominada culata, en cuyo interior se encuentran dispuestos, en número par, unos salientes provistos de expansiones en los extremos, denominados polos. En torno a los polos se arrollan los devanados de excitación, que generan un campo magnético cuando circula por ellos una corriente continua.

El rotor, constituido por una pieza cilíndrica ranurada, formada por chapas de matrial ferromagnético, generalmente de acero laminado con un 2% de contenido en silicio, para disminuir las pérdidas en el circuito magnético. En las ranuras del rotor se aloja el devanado inducido de la máquina, constituido por bobinas de hilo o de pletina de cobre; este devanado está cerrado sobre sí mismo, pues el final de la última bobina se encuentra conectado con el comienzo de la primera.

El colector de delgas, que es un conjunto de láminas de cobre, llamadas delgas, aisladas entre sí por una capa de mica y que giran solidariamente con el rotor. Las delgas están conectadas eléctricamente a las bobinas del devanado inducido y por medio de ellas dicho devanado se puede conectar con el exterior. Cada delga está unida eléctricamente al punto de conexión de dos bobinas del devanado inducido, de tal forma que habrá tantas delgas como bobinas simples posea el devanado.

Los portaescobillas y las escobillas, fabricados los primeros con un material estructural metálico, mientras que las segundas son generalmente de grafito. Las escobillas permanecen fijas, sin realizar movimiento alguno, y al deslizar sobre ellas el colector de delgas se efectúa el contacto eléctrico entre el devanado inducido y los bornes de conexión de la máquina al exterior.

Elementos mecánicos de soporte -comolos cojinetes o rodamientos-, y de envoltura.

Principio de funcionamientoLos dos principios en que se basa el funcionamiento de cualquier máquina eléctrica rotativa son los siguientes:Cuando un conductor se mueve en el interior de un campo magnético cortando líneas de campo, se genera en él una fuerza electromotriz. Cuando un conductor, por el que circula una corriente, se sitúa en el interior de un campo magnético actúa sobre él una fuerza de desplazamiento. En la figura se muestra un esquema del funcionamiento de una máquina de corriente continua. En ella se representa el devanado inducido como si únicamente estuviera formado por una sola espira.El campo magnético creado por el devanado inductor se simboliza por medio de un par de polos. Cada extremo de la espira está unido a una delga que gira solidariamente con ella, y la corriente sale al exterior por las escobillas.Si al devanado inducido se le aplica una tensión exterior continua, por la espira circulará una corriente continua, lo que dará origen a la aparición de una fuerza que tiende a hacerla girar. De esta manera, la espira se comporta como una máquina de corriente continúa funcionando como motor: La energía eléctrica se convierte en mecánica. Por el contrario, si al devanado inducido se le aplica un movimiento de rotación, en los bornes de la espira aparecerá una fuerza electromotriz. En la práctica, el devanado inducido de las máquinas de corriente continua está formado por un número elevado de espiras, desfasadas

espacialmente; y, por lo general, el estator dispone de más de un par de polos magnéticos.

Tipos de excitación

Como ya se ha descrito con anterioridad, en las máquinas de corriente continua existen dos devanados:- El devanado inductor o excitador, encargado de generar el campo magnético.- El devanado inducido, en el que se genera la fuerzaelectromotriz en el caso que la máquina funcione como generador, o el par motor si la máquina funciona como motor. Los dos devanados han de conectarse a una red eléctrica de corriente continua. Esta conexión se puede realizar de varias forma diferentes:

La reacción de inducido y el fenómeno de la conmutación

Ya se ha mencionado que la formación del campo magnético en el interior de una máquina de corriente continua se debe al devanado inductor.Esa situación se muestra en la figura.Al eje transversal se le conoce con el nombre de línea neutra. En esa zona es donde se sitúan las escobillas que hacen contacto con el colector de delgas para que la conmutación de una delga a otra -instante en que la escobilla hace contacto con dos conductores situados en posiciones diferentes del devanado inducidose realice cuando no existan fuerzas electromotrices en los conductores, por los que, en consecuencia, no circulará corriente.

3. MOTORES ASÍNCRONOS

El motor asíncrono de corriente alterna se considera el motor industrial por excelencia, a causa de la sencillez y fortaleza de su construcción, así como por su seguridad de funcionamiento. Analizaremos, a continuación, el motor asíncrono conectado a una red trifásica, que es el más utilizado en la industria actual.

Descripción física de un motor asíncrono

Los motores asíncronos constan de dos partes:

El estator, que es la parte fija de la máquina, constituido por una corona de chapas magnéticas aisladas entre sí por medio de barniz, ranuradas interiormente y sujetas a una carcasa fabricada, por lo general, con fundición de hierro o aluminio. En las ranuras del estator se dispone un devanado, constituido por un número de fases igual al de la red eléctrica que alimenta el motor.

El rotor, que es la parte móvil de la máquina, constituido por una corona de chapas magnéticas apiladas directamente sobre el eje de la máquina. La corona rotórica presenta una serie de ranuras interiores en las que se encuentra dispuesto el devanado rotórico.

Desde el punto de vista constructivo, se pueden distinguir dos formas típicas de rotor:

- Rotor de jaula de ardilla.- Rotor bobinado.

Máquina asíncrona de rotor de jaula de ardilla

En los motores de jaula de ardilla el devanado del rotor está constituido por barras de cobre o de aluminio colocadas en las ranuras de la corona rotórica y unidas en sus extremos a dos anillos del mismo material. El conjunto de barras y anillos tiene aspecto de jaula de ardilla: de ahí el nombre que recibe este rotor. El par de arranque de este tipo de motores es relativamente pequeño, y la intensidad absorbida en el arranque es elevada.

Máquina asíncrona de rotor bobinadoEn los motores asíncronos de rotor bobinado, el devanado rotórico, al igual que el estatórico, está constituido por hilo de cobre. En las ranuras de la corona rotórica se alojan, por lo general, tres devanados conectados por un punto común. Los extremos libres pueden estar conectados a tres anillos de cobre (anillos rozantes) que giran solidariamente con el eje. Haciendo contacto con los anillos rozantes, se encuentran unas escobillas, generalmente de grafito, que están fijas respecto al estator y que permiten realizar la conexión de los tres devanados rotóricos conel exterior. Aunque desde el punto de vista constructivo el motor de rotor bobinado es más complejo y menos robusto que el de jaula de ardilla, se puede lograr un par de arranque aproximadamente 2,5 veces superior al nominal y una corriente de arranque menor que en el caso de rotor en jaula de ardilla. También, mediante el uso de las resistencias, se puede regular la velocidad de giro del motor.

Principio de funcionamiento

El principio de funcionamiento de los motores asíncronos es más complejo que el de los motores de corriente continua.

Se basa en la acción que ejerce sobre el rotor un campo magnético giratorio producido por el devanado estatórico.

Campos magnéticos giratorios

Un ejemplo puede servir para poner de manifiesto la manera en que se produce un campo magnético giratorio. En el estator de una máquina eléctrica trifásica se encuentran dispuestos tres devanados desfasados entre si 120º geométricos. Cada uno de ellos está conectado a una fase de una red eléctrica trifásica. Por regla general, los motores asíncronos disponen en su caja de bornes de los seis terminales de los devanados, lo que permite que los devanados se puedan conectar en estrella o en triángulo. En la figura se muestra la conexión de los tres devanados del estator.

Arranque de los motores asíncronos

Para el arranque de los motores asíncronos se requiere una corriente elevada que puede provocar una caída de tensión en los demás consumidores, de manera especial si la sección de los cables de alimentación del motor no es lo suficientemente grande. Muchas veces, esta caída de tensión resulta perceptible en los aparatos de alumbrado. En el arranque de motores asíncronos conectados directamente a la red eléctrica la corriente inicial puede llegar a ser 6 veces superior a la nominal, y su par de arranque inicial 1,5 veces mayor que el nominal.Para evitar este incremento de la corriente y del par se suelen utilizar diversos sistemas de arranque que limitan la corriente en el instante inicial. En el caso de motores de jaula de ardilla, los métodos de arranque que se utilizan se basan en una reducción de la tensión aplicada en los bornes del estator del motor. Estos métodos son:- Inserción de una impedancia estatórica.- Arranque por autotransformador.- Arranque estrella-triángulo.

En el caso de motores de rotor bobinado, además de los métodos anteriores, la corriente inicial se puede limitar por medio de la inserción de resistencias en el circuito del rotor gracias a los anillos rozantes.

Arranque con impedancia en el estator

En este tipo de arranque se busca disminuir la tensión aplicada a los bornes del estator del motor por medio de la inclusión de resistencias. En el momento del arranque todas las resistencias estarán conectadas y posteriormente, cuando el motor adquiera velocidad, se irán desconectando paulatinamente. En las figuras se representa el arranque de un motor mediante resistencias estatóricas en tres tiempos, así como las curvas de la corriente y del par en función de la velocidad para los tres tiempos.

Arranque por autotransformador

Se intercala un autotransformador entre el motor y la red para modificar la tensión aplicada a los devanados del estator. Un esquema de este tipo de arranque se representa en la figura del margen. Al igual que en el caso anterior, el proceso de arranque puede tener varios tiempos. Este tipo de arranque precisa de una serie de equipos de maniobra de precio elevado, por lo que su utilización sólo se encuentra justificada en el caso de motores de grandes potencias.

Arranque estrella-triángulo

Este arranque se lleva a cabo en aquellos motores que, en su caja de conexiones, tienen disponibles los seis terminales correspondientes a los devanados de las tres fases del estator. Este método consiste en conectar en el momento del arranque los devanados en forma de estrella, de manera que la tensión aplicada a cualquiera de los devanados del motor será la tensión de fase; y cuando el motor adquiera velocidad se conectan los devanados en triángulo, y así la tensión aplicada a cada uno de los devanados del estator es la tensión de línea.

Arranque por inserción de resistencias en el circuito rotórico

En los motores de anillos rozantes se puede limitar la corriente de arranque por medio de la inclusión en el circuito rotórico de resistencias, que posteriormente, a medida que el motor gane velocidad, se irán cortocircuitando. En las figuras se representa un esquema del arranque de un motor en tres tiempos mediante la inclusión de resistencias en el circuito rotórico, así como las curvas de la corriente y del par en función de la velocidad.

Motores de CA

Se diseñan dos tipos básicos de motores para funcionar con corriente alterna polifásica: los motores síncronos y los motores de inducción. El motor síncrono es en esencia un alternador trifásico que funciona a la inversa. Los imanes del campo se montan sobre un rotor y se excitan mediante corriente continua, y las bobinas de la armadura están divididas en tres partes y alimentadas con corriente alterna trifásica. La variación de las tres ondas de corriente en la armadura provoca una reacción magnética variable con los polos de los imanes del campo, y hace que el campo gire a una velocidad constante, que se determina por la frecuencia de la corriente en la línea de potencia de corriente alterna. La velocidad constante de un motor síncrono es ventajosa en ciertos aparatos. Sin embargo, no pueden utilizarse este tipo de motores en aplicaciones en las que la carga mecánica sobre el motor llega a ser muy grande, ya que si el motor reduce su velocidad cuando está bajo carga puede quedar fuera de fase con la frecuencia de la corriente y llegar a pararse. Los motores síncronos pueden funcionar con una fuente de potencia monofásica mediante la inclusión de los elementos de circuito adecuados para conseguir un campo magnético rotatorio. El más simple de todos los tipos de motores eléctricos es el motor de inducción de caja de ardilla que se usa con alimentación trifásica. La armadura de este tipo de motor consiste en tres bobinas fijas y es similar a la del motor síncrono. El elemento rotatorio consiste en un núcleo, en el que se incluyen una serie de conductores de gran capacidad colocados en círculo alrededor del árbol y paralelos a él. Cuando no tienen núcleo, los conductores del rotor se parecen en su forma a las jaulas cilíndricas que se usaban para las ardillas. Los motores de baterías en serie con conmutadores, que funcionan tanto con corriente continua como con corriente alterna, se denominan motores universales. Éstos se fabrican en tamaños pequeños y se utilizan en aparatos domésticos.

MOTORES DE INDUCCIÓN El motor asíncrono fue creado es su forma más simple por Galileo Ferraris y Nikola Tesla en 1885-86. Dos años más tarde se construyó una máquina con el rotor en forma de jaula de ardilla. el rotor de bobinado se desarrolló a principio del S.XX. La diferencia del motor asíncrono con el resto de los motores eléctricos radica en el hecho de que no existe corriente conducida a uno de sus devanados (normalmente al rotor). La corriente que circula por el devanado del rotor se debe a la fuerza electromotriz inducida en él por el campo giratorio; por esta razón, a este tipo de motores se les designa también como motores de inducción. La denominación de motores asíncronos obedece a que la velocidad de giro del motor no es la de sincronismo, impuesta por la frecuencia de la red. Hoy en día se puede decir que más del 80% de los motores eléctricos utilizados en la industria son de este tipo, trabajando en general a velocidad prácticamente constante. No obstante, y gracias al desarrollo

de la electrónica de potencia (inversores y cicloconvertidores), en los últimos años está aumentando considerablemente la utilización de este tipo de motores a velocidad variable. La gran utilización de los motores asíncronos se debe a las siguientes causas: construcción simple, bajo peso, mínimo volumen, bajo coste y mantenimiento inferior al de cualquier otro tipo de motor eléctrico. Hay dos tipos básicos de motores asíncronos: - Motores de jaula de ardilla: el devanado del rotor está formado por

barras de cobre o aluminio, cuyos extremos están puestos en cortocircuito por dos anillos a los cuales se unen por medio de soldadura o fundición.

- Motor de rotor bobinado: el devanado del rotor de estos motores está formado por un bobinado trifásico similar al del estátor, con igual número de polos.

Un motor de rotor bobinado a igualdad de potencia y clase de protección, es más costoso, menos robusto y exige un mantenimiento mayor que uno de jaula de ardilla. No obstante, frente a este último posee fundamentalmente dos ventajas, que en algunos casos concretos resultan determinantes: las características del circuito eléctrico del rotor pueden ser modificadas en cada instante desde el exterior, y la tensión e intensidad del rotor son directamente accesibles a la medida o al control electrónico.

Principio de funcionamiento del motor asíncrono

Alimentación trifásica >>>> motor >>>>> carga

Principio de funcionamiento de un motor de inducción.

Cuando se alimenta el estátor de un motor asíncrono con un sistema trifásico de tensiones de frecuencia f1, se origina en el entrehierro un

campo magnético giratorio de amplitud constante cuya velocidad es nfp1160=, donde p es el número de pares de polos del motor. Esta velocidad recibe el nombre de velocidad de sincronismo. En los conductores del rotor, el campo giratorio inducirá unas fuerzas electromagnéticas, que al estar el devanado en cortocircuito darán lugar a unas corrientes. Éstas en presencia de un campo magnético, determinan que sobre los conductores actúen unas fuerzas, las cuales producen un par, que de acuerdo a la ley de Lenz, hace que el rotor tienda a seguir el campo del estátor. La velocidad de giro del rotor (n) no podrá igualar a la de sincronismo n1,

ya que entonces no se produciría la variación de flujo en el devanado del rotor y no se induciría ninguna fuerza electromagnética. Se denomina deslizamiento (s), a la velocidad relativa del campo giratorio respecto del rotor, expresado en tanto por uno de la velocidad del campo, es decir: snnn=−11. Las máquinas asíncronas también se puede utilizar como generador y como freno electromagnético. Para ser usadas como motor deben suministrar potencia mecánica, consumir potencia eléctrica y el deslizamiento debe ser 0<s<1. Para hacer un análisis circuital se utiliza el circuito equivalente de la Figura

Circuito equivalente del motor asíncrono incluyendo pérdidas mecánicas.

La nomenclatura utilizada es: X1 : Reactancia de dispersión o fugas del bobinado estatórico.

R1 : Resistencia óhmica del bobinado estatórico.

Rm : Resistencia que representa a las pérdidas magnéticas.

Xm : Reactancia que representa a la corriente magnetizante.

Rme : Resistencia variable que representa las pérdidas mecánicas.

X2 : Reactancia de dispersión o fugas del bobinado de rotor.

R2 : Resistencia óhmica del bobinado de estátor.

CARACTERÍSTICAS INDUSTRIALES DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS DE CORRIENTE ALTERNA

Curvas características

Las curvas características de una máquina relacionan entre sí diferentes magnitudes de la misma y permiten analizar su comportamiento en distintos regímenes de funcionamiento de manera precisa. Para la máquina asíncrona las curvas características más importantes son:

- curva par-velocidad.

- curva corriente-velocidad

- característica de velocidad.

- característica de factor de potencia.

- característica de rendimiento.

Ensayos industriales.

Antes de lanzar los modelos de motores al mercado se comprueban sus características, con el fin de incluirlas tras su comprobación empírica en la hoja de especificaciones del motor.

a) Ensayos normales para todos los motores:

- Medida de resistencia en continua de las fases del estátor.

- Medida de la resistencia en continua de las fases del rotor (para el caso de rotor bobinado).

- Rigidez dieléctrica del devanado del estátor.

- Rigidez dieléctrica del devanado del rotor (para el caso de rotor bobinado).

- Chequeo de la secuencia de fases en la caja de bornes de la máquina.

- Nivel de aislamiento devanado estátor.

- Nivel de aislamiento devanado rotor (para el caso de rotor bobinado).

b) Ensayos adicionales para motores tipo:

- Ensayo de calentamiento.

- Rendimiento por suma de pérdidas.

- Curva característica de cortocircuito a tensión reducida.

- Curva característica de vacío.

c) Ensayos especiales bajo pedido:

- Medida del par durante el arranque.

- Medida de ruidos.

- Medida de vibraciones.

- Medida del factor de pérdidas del aislamiento de los devanados.

- Otros.

Datos de motores asíncronos industrialmente disponibles

Los datos que proporcionan generalmente los fabricantes de motores asíncronos son los que se indican a continuación:

- Tipo y tamaño constructivo.

- Clase de protección.

- Potencia.

- Tensión.

- Valores nominales de otras magnitudes características.

- Relación par de arranque/par nominal e intensidad de arranque/intensidad nominal.

- Otros datos adicionales, en su caso (por ejemplo: peso, momento de inercia, clase de aislamiento, etc.).

En los motores de rotor bobinado suele darse también la fuerza electromagnética entre los anillos del rotor, a rotor parado y abierto.

Aplicaciones de los motores de inducción.

Ejemplos de cada uno de los tipos son: - Tipo 1: La mayoría de las aplicaciones: bombas centrífugas,

ventiladores, compresores sin carga. - Tipo 2: Máquinas herramienta: tornos, sierras, fresadoras, etc... - Tipo 3: Compresores, bombas oscilantes, transportadores cargados. - Tipo 4: Prensas punzadoras de alta velocidad. - Tipo 5: Prensas de estirado, plegadoras. - Tipo 6: Grúas, elevadores.

- Tipo 7: Extractores.

Añadir algunos ejemplos de motores que requieren una ejecución especial:

- Motores para servicios intermitentes empleados en mecanismos de elevación, cabrestantes, etc...Requieren gran robustez mecánica.

- Motores para telares. Tienen un funcionamiento cíclico rápido, la marcha es irregular y ruda, así que el motor debe ser excepcionalmente robusto.

- Motores para el accionamiento de la maquinaria de cubierta en los buques. El ambiente de trabajo es muy desfavorable, así que debe ponerse especial atención en el aislamiento.

- Motores para la industria láctea. La carcasa debe ser sin nervaduras y recubierta de un barniz especial que facilite la limpieza.

- Motores destinados a funcionamiento bajo el agua. Deben hacer frente al problema de funcionamiento en inmersión.

- Motores para servicio en atmósferas inflamables o explosivas. Son motores de “seguridad aumentada”, con carcasa blindada para contener las posibles explosiones.

- Motores de varias velocidades, para aquellos procesos tecnológicos que no requieren una variación continua de la velocidad, sino únicamente varios niveles de velocidad diferente.

Máquina de inducción

Se usan como motores trifásicos, habiendo también monofásicos. La simpleza de su diseño y su alta confiabilidad permiten su uso en diferentes campos de la ingeniería. En los sistemas de regulación automática. (SRA) se usan ampliamente motores de control mono y bifásico generadores así también como selsynes.

Máquinas síncronas

Se usan como generadores de c.a. de frecuencia industrial (50 ó 60 Hz) en las CC. EE., así como generadores de alta frecuencia (en los barcos, aviones, etc.). En los sistemas de mando eléctricode gran potencia se usan motores síncronos. En los dispositivos automáticosse usan máquinas síncronos de histerésis, con imanes permanentes, de paso y otros.

CLASIFICACIÓN POR NIVEL DE POTENCIA

En función a la potencia que absorben o generan las máquinas, se dividen enmicro máquinas, motores de pequeña, media y gran potencia.

- Micro máquinas.- Cuya potencia varía de décimas de watt hasta 500 w. Estas máquinas trabajan tanto en C.A. como en C.C., así como a altas frecuencias (400 - 200 Hz).

- De pequeña potencia.-. 0.5 - 10 kW. funcionan tanto en c.a. como en c.c. y, en frecuencia normal (50 - 60 Hz ó más).

- De potencia media.- 10 kW hasta varios cientos de kW.

- De gran potencia.- Mayor de 100 kW. Por lo general las máquinas de media y gran potencia funcionan a frecuencia industrial.

CLASIFICACIÓN POR FRECUENCIA DE GIRO (VELOCIDAD)

Se dividen en: De baja velocidad : con velocidad menor de 300 r.p.m.;De velocidad media : (300 - 1500 r.p.m.);De altas velocidades : (1500 - 6000 r.p.m.);De extra altas velocidades: (mayor de 6000 r.p.m.).Las micro máquinas se diseñan para velocidades de algunos r.p.m. hasta 6000r.p.m.

POTENCIA NOMINAL DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS

Potencia nominal es aquella potencia para la cual está diseñada la máquina,teniendo en cuenta su temperatura y el trabajo continuo durante su tiempo de uso (funcionamiento).

Se entiende por potencia nominal:- para el motor.- potencia mecánica en el árbol (eje, rotor), W ó kW;- para generador c.c.- potencia eléctrica en los bornes (terminales), W ó kW;- para generador de c.a.- potencia aparente en los bornes, VA ó kVA.

Las máquinas pueden funcionar también en condiciones no nominales (sobrecarga y subcarga, potencia superior o inferior a la nominal, tensión ycorriente diferentes del nominal), en estas condiciones los índices energéticos también son diferentes del nominal. Frecuentemente, ante cargas inferiores a la nominal, el rendimiento y el factor de potencia son menores que sus valores nominales; ante cargas superiores a la nominal surge el peligro de una elevada temperatura en diferentes partes de la máquina, principalmente en los devanados, lo cual puede tener efecto en el deterioro de su aislamiento o de la máquina en su conjunto. La temperatura máxima permisible en los devanados depende de las propiedades del aislamiento usado (de su tipo) y del tiempo defuncionamiento de la máquina y fluctúa entre los 105 y 180º C. En los estándares para máquinas se incluyen otras normas que determinan lassobrecargas permitidas y las pruebas a que son sometidas los elementos de suestructura, también las condiciones de su funcionamiento.Las máquinas de c.a. por regla general están diseñados para funcionar contensión senoidal y simetría en las fases. Las máquinas que trabajan acopladaseléctricamente con dispositivos rectificadores generalmente tienen una forma de tensión y corriente diferente a la senoidal originando la presencia de armónicos en la red, lo que origina pérdidas complementarias de energía lo cual hace que se eleve la temperatura de los devanados y del núcleo.

TRANSFORMADORES

El transformador es un dispositivo estático de tipo electromagnético que tiene dos o más devanados acoplados por un campo magnético mutuo (núcleo) y se usa para convertir uno o varios sistemas de c.a. en otro u otros sistemas de c.a. de tensión diferente.

La aplicación de los transformadores permite elevar o bajar la tensión, variar elnúmero de fases y en algunos casos incluso variar la frecuencia de la c.a. Laposibilidad de transmitir las señales eléctricas de un devanado a otro medianteinducción electromagnética fue descubierto por M. Faraday.

Los transformadores se usan para los siguientes fines:

TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

Por lo general en las centrales eléctricas (CC.EE.) se genera energía a tensión de 6-24 kV. Transmitir la energía a grandes distancias, es más económicohaciéndolo a altas tensiones, por ello en las centrales se instalan transformadores elevadores de tensión.Actualmente en la transmisión de energía se usan tensiones de 220, 330, 500 y750 kV y potencias hasta de 1200 - 1600 MVA.La energía eléctrica en el país se distribuye a las industrias y a las ciudades porcables subterráneos y líneas aéreas a tensiones de 35, 60, 110, 138 y 220 kV.Por lo tanto en los centros de consumo deben instalarse transformadores parabajar los niveles de tensión a 10 kV y 0.38-0.22 kV. Los transformadores usados para estos fines pueden ser monofásicos o trifásicos.Para asegurar el circuito de conexión necesario de las válvulas rectificadoras(diodos) en los dispositivos convertidores. (En los circuitos rectificadores o en los inversores, la relación de tensiones a la entrada y salida depende de la conexión de los diodos).En los últimos años se usan transformadores para la excitación de campos depotentes turbo o hidrogeneradores, de mando eléctrico y otros fines más. Además gracias al uso de aislamiento resistente al calor en la fabricación de los transformadores, se ha podido elevar la potencia en 1.3 - 1.5 veces y disminuir sus dimensiones.Para diferentes objetivos tecnológicos como soldadura, fuentes de alimentación. La potencia alcanza algunas decenas de kVA con tensiones de hasta 10 kV. Para la alimentación de los diferentes circuitos de radio y TV, dispositivos de comunicaciones, automática y telemecánica. En estos usos los transformadores por lo general tienen pequeña potencia (de algunos watts hasta algunos kW) y baja tensión. Son diseñados en 2, 3 y multidevanados.

Para conectar instrumentos de medición y otros dispositivos, por ejemplo relés,en los circuitos eléctricos de alta tensión (AT) ó en los circuitos por donde fluyen grandes corrientes, con el objetivo de ampliar las escalas de medición. Los transformadores que se usan para esta aplicación se llaman transformadores de medida, tienen pequeña potencia, que es determinada por la potencia de los aparatos de medición, relés y otros.Los transformadores que se usan en la industria y en los sistemas eléctricos(transmisión y distribución) son llamados transformadores de potencia. Para sufuncionamiento son características: magnitud de potencia variable en función a un diagrama de carga y pequeñas variaciones de tensión, tanto del primario como del secundario, con respecto al valor nominal.

DATOS NOMINALES DE LOS TRANSFORMADORES

- Potencia nominal, KVA- Tensión de AT, kV- Tensión de BT, kV- Corriente nominal en AT. Amp.- Corriente nominal en BT. Amp.- Factor de potencia, cosϕ- Frecuencia, Hz- Esquema de conexión- Número de fases- Tensión de cortocircuito

PÉRDIDAS DE POTENCIA Y ENERGÍA EN LOS TRANSFORMADORES

En los transformadores se tienen dos tipos de pérdidas, pérdidas en el fierro ypérdidas en el cobre.

Pérdidas en el fierro.- Son pérdidas que se deben a las características dediseño y a la calidad de los materiales empleados en su fabricación. Este tipode pérdidas son permanentes y tienen lugar mientras el transformador estéconectado a la red. La magnitud de estas pérdidas depende del tamaño opotencia del transformador. Este tipo de pérdidas PFe las define el fabricante y las presenta en las especificaciones del equipo.

Pérdidas en el cobre.- Son pérdidas que se deben al efecto Joule es decir por la corriente que circula en devanados del transformador. Estas pérdidasdependen del nivel de carga que tenga el transformador en su operación. Se determina por la siguiente relación:PCu = (Fu)2. PCu N

Fu = Factor de utilización igual a Ioper/INLas pérdidas de energía en los transformadores, Etrafo, que incluye tanto laspérdidas en el fierro como en el cobre se determina por la siguiente relación :ETrafo = (Pfe + (FuMD)2. PCu N.fp). TFuMD = Factor de utilización en máxima demanda.Fp = Factor de pérdidas, del diagrama de carga.

T = Período de evaluación de las pérdidas.

ITEM/ COMPONENTE /% Pérdidas deEnergía(100% de carga)A Interruptores de Interperie (15 a 230 kV) 0.002 - 0.015B Generadores 0.09 – 3.50C Interruptores de Media Tensión (5-15kV) 0.005 –0.02D Reactor Limitador de Corriente (600 V a 15 kV) 0.09 – 0.30E Transformadores 0.40 – 1.90F Seccionadores Bajo Carga 0.003 – 0.025G Arrancadores de Media Tensión 0.02 – 0.15H Líneas (menor ó igual a 480 V) 0.05 – 0.50I Interruptoresde Baja tensión 0.13 – 0.34J Centro de Control de Motores 0.01 – 0.40K Cables 1.00 – 4.00L Motoresa.- 1 - 10 HP 14.00 – 35.00b.- 10 - 200 HP 6.00 – 12.00c.- 200 - 1500 HP 4.00 – 7.00d.- 1500 HP a más 2.30 – 4.50M Rectificadores 3.00 – 9.00N Variadores de Velocidad Estáticos 6.00 – 15.00O Capacitadores (pérdidas watts/var) 0.50 – 2.00P Iluminación (Lumen/watts) 3.00 – 9.00

Compensadores electromecánicos.- Generan o absorben potencia reactiva(Q) en los sistemas eléctricos de potencia para mejorar los índicesenergéticos (el factor de potencia ϕ, niveles de tensión) en las interconexionesy los centros de carga.

Convertidor electromecánico

CONVERTIDORES ELECTROMECÁNICOS DE ENERGÍA

 Por máquina eléctrica, en general, entendemos toda máquina o aparato capaz de transformar en energía eléctrica otra forma cualquiera de energía o viceversa, así como también se incluye en esta definición  a las máquinas que convierten la energía eléctrica en la misma forma de energía, pero bajo distinta naturaleza o de otras características más convenientes a su transporte o utilización.

 

De acuerdo con esta definición podemos clasificar las máquinas eléctricas en tres categorías:

 1º Generadores.

Máquinas que transforman cualquier forma de energía en energía eléctrica.

 2º Receptores.

Maquinas que realizan la función inversa a la anterior. Si la energía final es mecánica reciben el nombre de motores.

 3º Transformadores y Convertidores.

Máquinas que conservando la energía eléctrica bajo la misma forma, modifican sus características.

 El generador de energía eléctrica a partir de la energía mecánica es todavía la máquina más importante de los aparatos eléctricos.

Dado que el proceso de la conversión de energía mecánica en eléctrica es siempre reversible, más que de generadores y motores se habla de convertidores electromecánicos de energía.

 

Un dispositivo o aparato convertidor electromecánico de energía no es más que una conexión entre un sistema eléctrico y un sistema mecánico o viceversa.

 Todo convertidor electromecánico consta de tres  partes

El proceso es reversible, aunque en él una parte de la energía es transformada en calor por el principio de la degradación de la energía.

El acoplamiento entre uno y otro sistema tiene lugar por medio de campos eléctricos y magnéticos.

De entre los principales fenómenos que pueden servir para este acoplamiento destacamos:

 1º Inducción electromagnética.

Si por un conductor situado en un campo magnético se hace circular una corriente eléctrica, se manifestará sobre él una fuerza mecánica F. El proceso es reversible, si varia el flujo magnético concatenado con un circuito eléctrico se induce en éste una fuerza electromotriz E.

 2º Ferromagnetismo.

Al situar un material forromagnético en el interior de un campo magnético se ejerce sobre él una fuerza que tiende a orientarlo según la dirección de máxima densidad de flujo. Cuando el campo magnético es producido por una corriente, el proceso de conversión de energía es reversible.

 La conversión electromecánica de la energía depende, en consecuencia, de la existencia en la naturaleza de fenómenos de interacción entre campos eléctricos y magnéticos, por una parte y de la manifestación de fuerza y movimiento, por otra.

 De los convertidores electromecánicos, los más importantes, por la magnitud de la energía puesta en juego, son las máquinas eléctricas rotativas que utilizan los fenómenos de inducción electromagnética y el ferromagnetismo.

 En la conversión electromecánica se cambia la energía mecánica en eléctrica y viceversa mediante los acopladores o transductores electromecánicos.

Los acopladores o transductores electromecánicos, ver figura, son máquinas eléctricas dinámicas que conocemos con el nombre de generadores eléctricos y motores eléctricos.

Los primeros son máquinas eléctricas dinámicas que convierten la energía mecánica que reciben en su eje en energía eléctrica que obtenemos en sus bornes. Los segundos convierten la energía eléctrica que reciben o absorben de la red en energía mecánica útil rotatoria que suministran por su eje.

Tanto los generadores como los motores eléctricos se basan en la ley de inducción electromagnética de Faraday y en la de la fuerza magnética de Laplace. De ahí, que en cualquier máquina eléctrica aparecerán unas tensiones inducidas y unas fuerzas sobre los bobinados de la máquina.

Las máquinas que producen corriente alterna se llaman generadores de inducción o alternadores. Son reversibles como motores síncronos, aunque se utiliza poco esta propiedad.

Los motores de corriente alterna más utilizados son los asíncronos o de inducción y los de colector.

(Las máquinas que producen corriente continua se llaman dinamos. Debido a su reversibilidad pueden funcionar como motores de corriente continua. Básicamente dinamo y motor de continua son la misma máquina).

Compensadores electromecánicos.

Generan o absorben potencia reactiva (Q) en los sistemas eléctricos de potencia para mejorar los índices energéticos (el factor de potencia ϕ, niveles de tensión) en las interconexiones y los centros de carga.