MAQUINAS ELECTRICAS
MODULO DE AUTOAPRENDIZAJE
V1-13-10-2015
SESION 12: FUNDAMENTOS DE LAS MAQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA CA 1. INTRODUCCION Las máquinas de corriente alterna pueden ser generadores que convierten energía mecánica en energía eléctrica de corriente alterna y motores que convierten energía eléctrica de corriente alterna en energía mecánica. Hay dos clases principales de máquina de ca: LAS SINCRONAS O SINCRONICAS LAS ASINCRONAS O DE INDUCCION Las máquinas sincrónicas son motores y generadores cuya corriente de campo la suministra una fuente externa de potencia de cc mientras que las máquinas de inducción son motores y generadores cuya corriente de campo se suministra mediante inducción magnética (acción transformadora) dentro de sus embobinados de campo. Las máquinas de ca difieren de las cc en que los bobinados del inducido están siempre localizados en el estator, mientras que los embobinados de campo están localizados en el rotor. El campo magnético giratorio originado en los embobinados de campo de una máquina de ca induce un sistema trifásico de ca en los embobinados del inducido localizados en el estator. A la inversa, un conjunto trifásico de corrientes en los embobinados del inducido en el estator produce un campo magnético giratorio que interactúa con el campo magnético del rotor, produciendo un momento de torsión en la máquina. Estos dos efectos son la versión de la máquina de ca de la acción como generador y de la acción como motor.
2. ESPIRA SENCILLA EN UN CAMPO MAGNETICO UNIFORME El estudio comenzará por una espira sencilla de alambre que rota dentro de un campo magnético uniforme. Esta es la máquina más sencilla posible que produce un voltaje sinusoidal alterno, como se muestra en las siguientes figuras. También se puede observar la parte rotante de la máquina se llama rotor, la parte estacionaria o fija se le denomina estator.
Este caso no es representativo en las máquinas AC reales puesto que el flujo en estas máquinas no es constante ni en magnitud ni en dirección, sin embargo los factores que controlan el volteje y el par(par motor o par torsión) sobre la espira serán los mismos que los factores que controlan el voltaje y el par en las máquinas AC reales. El voltaje inducido en la espira giratoria es eind = 2 vBL sen θ
Msc. César L. López A
Ingeniero en Energía - Mecánico Electricista
CIP 67424
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Si la espira rota a una velocidad angular constante w, entonces el ángulo θ de la espira se incrementará linealmente con el tiempo, en otras palabras θ =w t
Asimismo la velocidad tangencial v = r w, donde r es el radio del eje de rotación medido desde el eje de la espira. Entonces eind = 2 rwBL sen wt Si A es el área lateralde la espira A = 2πrL, eind = ABw sen wt El flujo es Ø = A B , entonces eind = Ø w sen wt
Así, el voltaje generado es la espira es una sinusoide cuya magnitud es igual al producto del flujo dentro de la máquina y la velocidad de rotación de la máquina. Esto también es cierto para las máquinas ac reales. En general, el voltaje de cualquier máquina real depende de tres factores: i. ii. iii.
El flujo de la máquina La velocidad de rotación Una corriente constante que representa la construcción de la máquina (número de espiras, etc)
El par inducido (τ) en una espira que porta corriente y que se encuentra a algún ángulo arbitrario θ con respecto al campo magnético, y que la corriente i fluye en la espira está dado por τ= Fr sen θ y
F= i (LxB)
τind= 2riLB sen θ
La ecuación anterior queda como sigue:
donde F es la fuerza inducida
τind= k Bespira Bs sen θ
τind= k Bespira x Bs
Entonces, el par inducido en la espira es proporcional a la intensidad del campo magnético de la espira (Bespira), a la intensidad del campo magnético externo de la espira(Bs) y al sen del ángulo comprendido entre ellos. Esto es también cierto en las máquinas reales ac.. En general, en toda máquina real, el par depende de cuatro factores: i. ii. iii. iv.
La Intensidad del campo magnético del rotor La Intensidad del campo magnético externo El seno del ángulo comprometido entre ellos Una constante que representa la construcción de la máquina (geometría, etc.)
Msc. César L. López A
Ingeniero en Energía - Mecánico Electricista
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3. CAMPO MAGNETICO ROTACIONAL(GIRATORIO) Si dos campos magnéticos están presentes en una máquina se creará un par que tiende a alinearlos. Si un campo magnético es producido por el estator de una máquina ac y el otro es producido por el totor, el par inducido en el rotor obligará a que éste gire para alinear los dos campos. Si existe alguna forma de lograr que el campo magnético del estator rote, efectuará una “persecucución” circular constante del campo magnético del estator debido al par inducido en el rotor; esto es el principio básico de la operación de un motor ac. Para que el campo magnético del estator gire, se hace que un grupo de corrientes trifásicas, cada una de igual magnitud y desfasadas 120°, fluye en un devanado trifásico, se producirá un campo magnético rotacional de magnitud constante. El devanado trifásico consiste en tres devanados separados, espaciados 120° eléctricos alrededor de la superficie de la máquina. En la siguiente figura se muestra los tres devanados alrededor del estator, las corrientes se suponen positivas si fluyen hacia adentro por el extremo no primado y salen de él por el extremo primado, las intensidades de campo producidas por cada bobina (H). Los tres devanados son: Devanado aa’
Devanado bb’ y
devanado cc’
Cada devanado produce sólo un polo norte y un polo sur magnéticos, es un devanado de dos polos La corrientes en A, de los tres devanados están dadas por iaa’(t) = IM sen wt
ibb’(t) = IM sen (wt - 120°)
icc’(t) = IM sen (wt - 240°)
A.
La corriente del devanado aa’ fluye adentro del devanado por su extremo a y sale del devanado por su extremo a’ produciendo una intensidad de campo magnético: Haa’(t) = HM sen wt < 0° A.vuelta/m Así para los demás devanados: Hbb’(t) = HM sen (wt-120)
