resumen y tópicos especiales · u niversidad n acional de m ar del p lata máquinas eléctricas...

UNIVERSIDAD NACIONAL

DE MAR DEL PLATA

Máquinas Eléctricas (342)

Curso: Ingeniería Mecánica

Prof. Justo José Roberts

Resumen y Tópicos

Especiales

Resumen y Tópicos Especiales

Introducción

© Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 2

Resumen • Clasificación de ME

• Transformador

• Máquinas Sincrónicas

• Máquinas Asincrónicas (de inducción)

• Máquinas de Corriente Continua

Tópicos Especiales • Características de los Motores

• Selección de Motores

• Otros tipos de Motores

Motor universal

Motor paso a paso

Servomotor


Resumen

Clasificación de ME

Máquina Eléctrica

Generador Motor Transformador

Estáticas Rotativas


Resumen


Máquinas Eléctricas Estáticas

Rotativas Motores

Generadores

Transformadores

Transformación:

E. Eléctrica E. Mecánica

Sistema

Eléctrico

Sistema

Mecánico

Máquina

Eléctrica

ROTATIVA

Transformación:

E. Eléctrica E. Eléctrica

Sistema

Eléctrico A

Sistema

Eléctrico B

Máquina

Eléctrica

ESTÁTICA

Generador

Peléctrica Pmecánica Motor

Peléctrica Pmecánica


Resumen


MÁQUINAS

ESTÁTICAS

ME

MÁQUINAS

ROTATIVAS

Transformador

Autotransformador

Rectificadores

Onduladores

CA

CC

Síncronas Generador (alternador)

Motor

Asíncronas Generador

Motor (de inducción)

Generador (dínamo)

Motor


Resumen


6

2 160

n pf f

ME ¿n = 0?

¿f1 = 0? MÁQUINAS

ESTÁTICAS

No existe

¿f2 =fL?

Transformador

MÁQUINAS

ROTATIVAS ¿f1=0?

¿f2= fL?

M. Síncronas

M. Corriente Continua

¿f2= fL?

M. Asíncronas

M. C.A. Universales

SI

NO

2 1f f

2 160

n pf f

SI 2 1 0f f

NO

2 1f f

NO

SI

2 1Lf f f

2Lf f

SI

NO

260

n pf

2

60L

n pf f

SI

NO

2 2; ; 060

L L

n pf f f f

An

illo

s

De

lga

s

An

illo

s

De

lga

s

SI

NO

2 160

L

n pf f f

2 1 2;60

L

n pf f f f

2 160

n pf f

fL : frecuencia del circuito exterior

f1 : frecuencia del inductor

f2 : frecuencia del inducido

Inducido FIJO - Flujo VARIABLE


Resumen

Transformador

2 1f f

2 10n f f

Máquina Eléctrica Estática inducción electromagnética

que convierte un sistema primario de corriente alterna en

otro sistema de intensidad y tensión generalmente

diferentes.

Inducido estático

2 160

n pf f

Transformador la frecuencia del inducido ES IGUAL a la frecuencia del

inductor.


Resumen

Transformador

Barras primarias – Alta tensión Barras secundarias – Baja tensión

GENERADOR

Lle

gad

a d

e e

nerg

ía

Salid

a d

e e

nerg

ía Sentido de circulación de la energía

U1

Tensión primaria

U2

Tensión secundaria

Núcleo de hierro laminado

Corriente secundaria

Corriente primaria

Bornes de entrada

Bornes de salida Bobinado primario

de N1 espiras

Flujo magnético

alternativo Bobinado secundario

de N2 espiras

~ CARGA


Resumen

Transformador

• Las tensiones son transformadas en relación directa al

número de espiras

1 1

2 2

U Nk

U N

• Las corrientes son transformadas en relación inversa al

número de espiras 1 2

2 1

1I N

I N k

• Las impedancias son referidas al primario en relación

directa al cuadrado número de espiras 2

21 cZ k Z

• La potencia transferida es constante

k > 1 → Transformador reductor de tensión

k < 1 → Transformador elevador de tensión

1 1 1 2 2 2 S U I U I S


Resumen

Máquinas Sincrónicas

Máquinas eléctricas rotativas que se caracterizan por tener

una relación fija entre la velocidad de giro de su eje y la

frecuencia de sus corrientes “SINCRÓNICAS”

Inducido MÓVIL - Flujo CONSTANTE

10 0n f Inductor alimentado

con C.C.

260

n pf

Máquinas síncronas la frecuencia del inducido ES PROPORCIONAL a

la velocidad del rotor.

2 160

n pf f


Resumen





Excitatriz Alimenta de CC al inductor

Máquina primaria (motriz) Suministra energía mecánica al

alternador

Inducido Inductor

Energía eléctrica (CC) Energía mecánica

Energía eléctrica (CA)

GENERADOR

Principio de fase R

Final de fase R

Acoplamiento a la

máquina primaria

Eje

Extremo de

eje

Escobillas

Terminales del

circuito de excitación

(C.C.)

Anillos rozantes

Corriente de excitación

Conexiones que empalman

el bobinado de excitación

con los anillos rozantes

Bobina de excitación

Polo de excitación

Lado de bobina R’

Lado de bobina R

Canaleta para lado

bobina S’

Canaleta para

lado bobina S

Canaleta para lado

bobina T

Canaleta para

lado bobina T’

Estator de chapas de

hierro laminado

Bobina de la fase R (una

espira fuera de la máquina)

Principio de fase R

Fin de fase R


Resumen


GENERADOR


Resumen


2 160

n pf f

MOTOR

Excitatriz Alimenta de CC al inductor

Par Resistente Se opone al giro del motor

Inducido Inductor

Energía eléctrica (CC) Energía mecánica


21

600 0

fn y f n

p





Resumen

Máquinas Sincrónicas MOTOR

Rotor

Estator

Campo rotante ocasionado

por el bobinado del estator

El campo magnético rotante generado en el estator, que gira a

velocidad constante, lleva “enganchado” al rotor.

Líneas de campo que

“enganchan” el rotor

con el campo rotante

Sentido de giro del

campo rotante

𝜹

N

S

S

N


Resumen



V

I

SjIX

0E

VI

SjIX

0E

V

ISjIX

0E

V

I

SjIX

0E

GENERADOR

MOTOR

Subexcitado E0<V Sobreexcitado E0>V

0 sV E I Z

0 sV E I Z

(P>0) Suministra Pactiva

(Q<0) Consume Qreactiva (P>0) Suministra Pactiva

(Q>0) Suministra Qreactiva

(P<0) Consume Pactiva

(Q>0) Consume Qreactiva

(P<0) Consume Pactiva

(Q<0) Suministra Qreactiva

(condensador) (inductor)

(condensador) (inductor)


Resumen

Máquinas Asincrónicas (de inducción)

Motor Asincrónico mecanismo al cual ingresa energía

eléctrica (trifásica o monofásica), que se convierte en energía

mecánica bajo la forma de movimiento giratorio de velocidad

ligeramente variable con la carga aplicada al eje.

Inducido MÓVIL - Flujo VARIABLE

1 0f

0n 2 1

60

n pf f

2 Lf f

Máquinas asíncronas la frecuencia del inducido NO ES PROPORCIONAL

a la velocidad del rotor.


Resumen


Inducido Inductor

Energía mecánica


Motor Asíncrono Energía mecánica

(C.A.)

Energía

Eléctrica

Par Resistente Se opone al giro del motor

s

s

n ns

n

Deslizamiento


Resumen


Entrehierro

Rotor

Estator

Carcasa

Jaula de Ardilla Bobinado


Resumen

Máquinas de Corriente Continua

Máquina de CC máquina eléctrica rotativa basa en la

existencia del COLECTOR mecanismo que convierte las

magnitudes variables generadas o aplicadas a la máquina en

magnitudes constantes (rectificador mecánico).

Inducido MÓVIL - Flujo CONSTANTE

1 0f

0n 2

60

n pf

2 Lf f

Máquinas de CC la frecuencia del inducido NO es igual a la frecuencia

del circuito exterior.


Resumen


Arrollamiento de

excitación

Corriente de

excitación

Escobillas

Conmutador o

colector

Bobina de

inducido

i

i

i

i

D

C

A B


Resumen


Excitación independiente Excitación serie

Excitación derivación (shunt) Excitación compuesta (compound)

Una de las principales características que define el

comportamiento de los motores es la característica

mecánica curva T = (n).


Tópicos Especiales

Características de los Motores

La característica

mecánica permite

seleccionar el motor

adecuado para un

accionamiento

mecánico.

También hay otros

criterios: cupla de

arranque, cupla

máxima, corriente de

arranque, etc.

Ve

loc

ida

d (

n)

Cupla (T) 100%

100% Sincrónico

Asincrónico

Compuesto

Serie

Motor Sincrónico:


Tópicos Especiales


Característica rígida o “dura”.

Sólo se construyen unidades de

gran potencia presentan mejor

rendimiento que los motores

asincrónicos.

Ventaja regulación del f.d.p.

Masa rotante mayor que el motor

asincrónico mayores tiempos de

aceleración, más caro y voluminoso.

Cupla de arranque Cupla máxima Corriente de arranque

De alta velocidad 80 – 120% 150% 500-700%

De baja velocidad 40% 130-200% 250-500%

Ve

loc

ida

d (

n)

Cupla (T) 100%

100% Sincrónico

Asincrónico

Compuesto

Serie

Motor Asincrónico:


Tópicos Especiales


Característica ligeramente más

blanda, pero aún bastante rígida.

Ventaja sencillez, precio, bajo

costo de mantenimiento.

Exigencias técnicas desarrollo

de diversos tipos constructivos de

motores para diferentes

aplicaciones.

Ve

loc

ida

d (

n)

Cupla (T) 100%

100% Sincrónico

Asincrónico

Compuesto

Serie

Altamente normalizado

Adoptada por la gran mayoría de países y

especialmente los europeos.

Norma nacional de Estados Unidos, pero es

común en muchos países.

Motor Asincrónico:


Tópicos Especiales


Control de características por diseño de jaula R2/X2

2

1 2

2

221

3

s

U RT

Rs R X

s

Clasificación NEMA

Motor Asincrónico:


Tópicos Especiales


CLASE A:

• Diseño estándar, con par de arranque normal,

corriente de arranque normal y bajo

deslizamiento.

• Par máximo 200% - 300%

• Par de arranque 100% (grandes) y 200% (pequeños)

• Deslizamientos bajos < 5%

• Corriente de arranque 500% - 800%

• Antiguamente era el más utilizado, ahora se ha ido

reemplazando por clase B.

• f.d.p ≈ 0,88

• Aplicaciones: ventiladores, sopladores, bombas,

tornos, etc.

Clase A

Motor Asincrónico:


Tópicos Especiales


CLASE B:

• Par de arranque normal, corriente de arranque

más baja (-25%) y bajo deslizamiento.

• Par máximo ≥ 200% pero menor a clase A

• Par de arranque similar a clase A



• f.d.p ≈ 0,8

• Aplicaciones similares a los de clase A, han

reemplazado estos por mejores prestaciones.

Clase B

Motor Asincrónico:


Tópicos Especiales


CLASE C:

• Par de arranque elevado, corriente de arranque

baja y bajo deslizamiento.

• Par máximo ≥ 200%

• Par de arranque 200% – 250%



• f.d.p ≈ 0,8

• Aplicaciones que requieren alto par de arranque como

bombas, compresores, bandas transportadoras.

• Son más caros.

Clase C

Motor Asincrónico:


Tópicos Especiales


CLASE D:

• Par de arranque muy alto, corriente de arranque

baja pero alto deslizamiento.

• Par máximo hasta 350%

• Par de arranque hasta 350% (arranque)

• Deslizamientos 7% - 16%


• f.d.p ≈ 0,7

Clase D

• Aplicaciones que requieren mover cargas con

altas inercias como volantes de máquinas

troqueladoras o cortadoras.

Motores de CC:


Tópicos Especiales


Ventaja gran flexibilidad para el control de la velocidad y par.

Desventaja costo, mantenimiento y tamaño en altas potencias.

Independiente y derivación: velocidad constante constante, flexibilidad en la

variación de velocidad, cupla proporcional a la carga, peligro de embalamiento.

Serie: alta cupla de arranque, mala regulación de velocidad, robustez.

Compuesto: características intermedias entre serie y derivación.


Tópicos Especiales

Selección de Motores

1) Características de la red de alimentación:

Tensión, frecuencia y máxima corriente de arranque.

2) Características mecánicas del mecanismo arrastrado:

Tipo, inercia, curva del torque, tipo de acoplamiento, régimen de

carga, esfuerzos radiales y axiales, potencia y polaridad,

necesidad de variación de velocidad.

3) Características del ambiente:

Temperatura (<40 ºC), altitud (<1000 m), atmósfera.

4) Características constructivas:

Forma, sistema de de refrigeración, clase de aislamiento (IP),

protección térmica (sondas).


Tópicos Especiales


Tipos más comunes de Carga:

Tipo 1: cupla variable y

función de la velocidad, la

potencia útil aumenta con

velocidad o cupla (ventiladores,

bombas centrífugas,

sopladores, etc.)

Tipo 2: cupla constante y

velocidad variable. La potencia

aumenta con la velocidad en

forma lineal (cintas

transportadores, etc.)

Ve

loc

ida

d (

n)

Cupla (T) 100%

100%

Límite de velocidad

A B C D

1 2 3

4

O


Tópicos Especiales


Tipo 3: cupla variable y

función inversa de la

velocidad. La potencia se

mantiene constante

(elevadores, vehículos,

máquinas de inercia, etc.)

Tipo 4: cupla variable con

velocidad constante. La

potencia aumenta con la

primera potencia de la cupla

(bombas alternativas, máquinas

para trabajar metales y madera,

compresores a émbolo,

mezcladoras, etc.)

Tipos más comunes de Carga:

Ve

loc

ida

d (

n)

Cupla (T) 100%

100%

Límite de velocidad

A B C D

1 2 3

4

O


Tópicos Especiales


Motor SERIE

• Cupla resistente O-B

• Cupla motora O-B

• Cupla aceleratriz A-B

• Velocidad de régimen N1 baja,

desarrolla poca potencia.

• Acelera rápidamente hasta llegar

a régimen.

Tipo de Carga 1 + Características de Motores:

Motor ASINCRÓNICO (bobinado)

• Cupla resistente O-A

• Cupla motora O-C

• Cupla aceleratriz A-C

• Velocidad de régimen N2 mayor y

desarrolla más potencia.

• Cupla acelera excesiva e

innecesaria.

Ve

loc

ida

d

Cupla (T)

Asinc.

clase A

A B C D

1

O

N3

N2

N1

Asinc.

rotor bobinado Serie


Tópicos Especiales


Motor ASINCRÓNICO (clase A)

• Cupla resistente O-A

• Cupla motora O-D

• Cupla aceleratriz A-D

• Velocidad de régimen N3

elevada y desarrolla mayor

potencia.

• Cupla de arranque baja, pero

suficiente para acelerar la

carga a régimen.


Recomendación: motor asincrónica de baja cupla, motor de CC derivación.

Ve

loc

ida

d

Cupla (T)

Asinc.

clase A

A B C D

1

O

N3

N2

N1

Asinc.

rotor bobinado Serie


Tópicos Especiales


Motor SERIE

• Cupla resistente O-C

• Cupla motora O-inf

• Cupla aceleratriz excesiva

• No es recomendable


Motor ASINCRÓNICO (clase A)


• Cupla motora O-B menor que

cupla resistente.

• No es recomendable.

Motor ASINCRÓNICO (clase C)


• Cupla motora C-D

• Velocidad de régimen N3. Recomendación: motor asincrónica cupla alta o

motor derivación.

Ve

loc

ida

d

Cupla (T)

Asinc.

clase A

A D C B

2

O

N4

N2

Asinc.

clase C

Serie

N3

N1


Tópicos Especiales


Motor SERIE


• Cupla motora O-D

• Cupla aceleratriz B-D



Motor ASINCRÓNICO

(bobinado)

• Se puede arrancar con

resistencias y luego llegar a

régimen de velocidad N2

retirando las resistencias.

Recomendación: motor serie, asincrónico bobinado o clase D (alta cupla).

Ve

loc

ida

d

Cupla (T) A D C E O

N1

Rotor bobinado

s/ resistencias

Serie

N2

N3

3

Rotor bobinado

c/ resistencias

B


Tópicos Especiales


Motor SERIE


• Cupla motora O-C

• Cupla aceleratriz B-C


(estable) y N2 (inestable)


Motor ASINCRÓNICO

• Se elige con adecuada

cupla de arranque.

Recomendación: asincrónico con adecuada cupla de arranque, derivación o

sincrónico.

Ve

loc

ida

d

Cupla (T) A D C O

N2

Serie

N1 Asincrónico

B

4


Tópicos Especiales

Otros Tipos de Motores

Motor Universal:

Tipo de motor eléctrico que puede funcionar tanto con CC como con CA

monofásica.

Tiene la forma de un motor de CC conexión serie.

T iT K I

V ~

• Si se invierten tanto la dirección del flujo

de campo como la dirección de la

corriente del inducido el par resultante

permanece en la misma dirección se

logra un par oscilante unidireccional.

• Sólo es práctico en motor serie corrientes del inducido y de campo en la

máquina se deben invertir en exactamente el mismo momento.

• Se deben laminar por completo el rotor y estator evitar pérdidas

excesivas.


Tópicos Especiales


Motor Universal:

Se construyen para potencias reducidas, hasta ¾ de HP.

Desarrollan menor potencia en CA que en CC en CA par oscilante.

Conmutación más deficiente en CA que en CC mayor chisporroteo

en las escobillas las bobinas del inducido están atravesadas por un

flujo alterno cuando se ponen en cortocircuito por las escobillas.

Se logran altas velocidades de hasta

20000 r.p.m. en vacío.

Tiene un par de arranque excelente.

No está construido para su uso

continuo o permanente (durante largos

períodos de tiempo).


Tópicos Especiales


Motor Universal:

Su eficiencia es baja (~51%), pero como se utilizan en maquinas de

pequeña potencia no se considera importante.

Su elevado par de arranque con respecto al de los motores de inducción

y su elevada velocidad de rotación permite reducir su tamaño y su

precio.

Aplicaciones electrodomésticos pequeños taladros, utensilios

de cocina, ventiladores, sopladores, batidoras, etc.


Tópicos Especiales


Motor Paso a Paso:

Los pasos pueden varias entre 90º hasta 1,8° por pulso.

El motor Paso a Paso de lo conoce también como motor de pasos

(Stepper Motor) es un dispositivo electromécánico que convierte una

serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares.

Se utilizan en muchos sistemas de control, puesto que pueden controlar

precisamente la posición de un eje u otra pieza de la maquinaria con

buena repetibilidad.


Tópicos Especiales


Motor Paso a Paso:

Básicamente está constituido por un rotor sobre el que van aplicados

distintos imanes permanentes y por un cierto número de bobinas

excitadoras bobinadas en su estator. Las bobinas son parte del estator y

el rotor es un imán permanente.

Principio de funcionamiento

BOBINAS

ROTOR

ESTATOR

BOBINADOS

EJE

ROTOR


Tópicos Especiales


Motor Paso a Paso:

Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser

externamente manejada por un controlador.

Principio de funcionamiento

Se basa en el principio de atracción y repulsión entre polos magnéticos.

Reluctancia variable

El rotor está constituido por

material ferromagnético.


Tópicos Especiales


Motor Paso a Paso:

Imán permanente

El rotor está constituido por un imán

permanente.

Tipos de motores:

Híbridos

Combinación de los dos tipos anteriores;

el rotor esta constituido por anillos de

acero dulce dentado y dichos anillos

montados sobre un imán permanente

dispuesto axialmente.


Tópicos Especiales


Motor Paso a Paso: VENTAJAS

Es capaz de asegurar un

posicionamiento simple y exacto.

Ligero, fiable y fácil de controlar,

pues al ser cada estado de

excitación estable, el control se

realiza en bucle abierto, sin

necesidad de sensores de

realimentación.

Son ideales en aplicaciones donde

se requiere un movimiento preciso.

DESVENTAJAS

El funcionamiento a bajas

revoluciones no es suave, ya que

existe el peligro de perdida de una

posición de trabajo en bucle

abierto.

Tienden a sobrecalentarse

trabajando a velocidades elevadas

y presentan un límite en el tamaño

máximo que pueden alcanzar.


Tópicos Especiales


Servomotor:

Muy parecido al de paso a paso.

Podemos controlar tanto la velocidad, como la posición del eje que gira

(también llamada dirección del eje o giro del rotor).

Generalmente no gira su eje 360º (aunque ahora hay algunos que si lo

permiten), como los motores normales, solo giran 180º hacia la izquierda

o hacia la derecha (ida y retorno).


Tópicos Especiales


Servomotor:

Son en general un conjunto de cuatro cosas:

Un motor eléctrico (generalmente de CC): es el encargado de generar

el movimiento, a través de su eje.

Un sistema de regulación:

formado por engranajes, que

actúan sobre el motor para regular

su velocidad y el par.

Un sistema de control o sensor:

circuito electrónico que controla el

movimiento del motor mediante el

envío de pulsos eléctricos.

Un potenciómetro: conectado al

eje central del motor para saber en

todo momento el ángulo en el que

se encuentra el eje del motor.


Tópicos Especiales


Servomotor:

El circuito electrónico es el encargado de recibir la señal PWM y traducirla

en movimiento del Motor DC. El eje del motor DC está acoplado a un

potenciómetro, el cual permite formar un divisor de voltaje. El voltaje en la

salida del divisor varía en función de la posición del eje del motor DC.

Funcionamiento


Tópicos Especiales


Servomotor:

Para posicionar un servomotor se aplica un pulso eléctrico, cuya

duración determinará el ángulo de giro del motor. Recibe los pulsos

de entrada y ubica al motor en su nueva posición dependiendo de los

pulsos recibidos.

Funcionamiento


Tópicos Especiales


Servomotor:

Servomotores de corriente continua (CC): los más habituales.

funcionan con un pequeño motor de corriente continua. El servomotor se

controla por PWM (modulación por ancho de pulso), como ya explicamos.

Servomotores de corriente alterna (CC): pueden utilizar corrientes más

potentes y por lo tanto se usan para mover grandes fuerzas.

Servomotores de imanes permanentes o Brushless: se llama

brushless por que es un motor de corriente alterna sin escobillas (como

las que llevan los de CC). Se utilizan para grandes torques o fuerzas y

para altas velocidades. Son los más usados en la industria. Están

basados en los motores síncronos.

Motor Paso a Paso: pueden ser incluidos en esta categoria.

Tipos


Tópicos Especiales


Servomotor: VENTAJAS

Sumamente poderoso para su

tamaño (alto torque).

Alta precisión.

Varios modos de control.

Potencia proporcional para cargas

mecánicas.

No consume mucha energía.

DESVENTAJAS

Puede resultar costoso para

ciertas aplicaciones.

Poder controlar varias secuencias

de posiciones, es difícil sin utilizar

sistemas basados con micros.

No es posible cambiar las

características eléctricas del motor

por tanto no se puede cambiar la

velocidad del mismo.

1. Marcelo A. Sobrevila. Ingeniería de la Energía Eléctrica - Libro II. Buenos

Aires: Marymar, 1985.

2. Jesús Fraile Mora. Máquinas Eléctricas. España: Mc Graw Hill, 2003.

3. Stephen J. Chapman. Máquinas Eléctricas. México: Mc Graw Hill, 2012.

4. http://panamahitek.com/que-es-y-como-funciona-un-servomotor/

5. http://www.areatecnologia.com/electricidad/tipos-de-motores-

electricos.html

Motor de CC

Referencias


http://panamahitek.com/que-es-y-como-funciona-un-servomotor/


















Motor de CC

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