Maquinas de ca

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Máquinas rotativas de corriente alterna

vamos a conocer...

1. Principio de funcionamiento de las máquinas rotativas de corriente alterna 2. Clasificación de máquinas de corriente alterna 3. Máquinas síncronas 4. Máquinas asíncronas 5. Devanados de máquinas de corriente alterna PRÁCTICA PROFESIONAL 1 Puesta en marcha de un alternador PRÁCTICA PROFESIONAL 2 Bobinado del devanado del estator de una máquina de corriente alterna PRÁCTICA PROFESIONAL 3 Bobinado del inductor de un alternador MUNDO TÉCNICO Variación de velocidad en motores de inducción

y al finalizar esta unidad...

Conocerás cuál es el principio de funcionamiento de las máquinas de corriente alterna.

Identificarás los elementos que constituyen los circuitos magnético y eléctrico de este tipo de máquinas.

Identificarás los diferentes tipos de máquinas.

Diseñarás los diferentes devanados utilizados en ellas.

Comprobarás el funcionamiento de una máquina síncrona.

Construirás devanados para estatores y rotores de máquinas de corriente alterna.

Comprobarás el correcto funcionamiento de los diferentes tipos de devanados.

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CASO PRÁCTICO INICIAL situación de partida Al taller de reparación de MantenExpress están llegando todo tipo de máquinas eléctricas. En las últimas semanas ha recibido 3 máquinas de una fábrica de calzado que, supuestamente, están averiadas.

Antes de proceder a su desmontaje Fermín y Abel han fotografiado su placa de características y, en especial, su caja de bornes. Curiosamente, cada una de ellas es diferente: una dispone de 6 bornes, otra de 8 y la tercera de 9. Los técnicos que las han trasportado hasta el taller dicen que una pertenece a un grupo electrógeno de emergencia, pero que las otras, funcionando como motor, estaban acopladas a máquinas de producción.

Siguiendo el protocolo de desmontaje previsto por la empresa, Fermín y Abel han abierto cada una de las máquinas y se han encontrado con lo siguiente:

• Todas tienen un estator con un elevado número de ranuras (entre 24 y 48) y, aunque son máquinas diferentes, el devanado tiene una ejecución muy similar.

• La máquina que tiene 8 bornes tiene un rotor peculiar, está ranurado, pero no de forma uniforme. Hay varios espacios más amplios (concretamente 4) en el núcleo magnético, y el devanado está conectado a dos anillos de color dorado embutidos en el rotor.

• La máquina con 9 bornes dispone de un rotor bobinado similar al de la anterior, pero ranurado de forma simétrica en todo su contorno. Al contrario que la anterior, tiene tres anillos en el eje.

• Y, por último, la máquina con 6 bornes dispone de tiene un rotor sin devanado.

Fermín y Abel se han hecho algunas preguntas sobre las máquinas recibidas que se deben responder antes de ponerse manos a la obra.

estudio del caso Antes de empezar a leer esta unidad de trabajo, puedes contestar las dos primeras preguntas. Después analiza cada punto del tema con el objetivo de contestar el resto de preguntas de este caso práctico.

1. ¿Se puede variar la velocidad de los motores de corriente alterna regulando la tensión de alimentación?

2. ¿Son reversibles las máquinas de corriente alterna como lo eran las de continua, que podían funcionar como generador o como motor?

3. Los motores de corriente continua requieren un campo inductor fijo para su funcionamiento, ¿es esto igual en los de corriente alterna?

4. ¿A qué máquina pertenece el rotor que tiene dos anillos?, ¿para qué sirven dichos anillos?

5. ¿Por qué la máquina reparada dispone solamente de 2 líneas de escobillas y, sin embargo, tiene 4 piezas polares?

6. ¿Es una coincidencia que los circuitos del estator de las tres máquinas tengan una ejecución muy similar?

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7. ¿A qué máquina corresponde la caja de 8 bornes?

8. ¿Por qué una de las máquinas dispone de un rotor que no tiene devanado?

9. ¿A qué máquina pertenece la caja de 9 bornes?, ¿y el rotor de tres anillos?

10. La velocidad que indica la placa de características de un motor asíncrono no coincide con la calculada a partir de la frecuencia y del número de pares de polos, ¿Por qué ocurre esto?

11. El circuito inductor de una máquina de corriente continua dispone de un devanado de tipo concentrado, ¿ocurre lo mismo en las máquinas de corriente alterna?

12. Una máquina de corriente alterna puede funcionar como motor o como generador, ¿qué diferencias existen entre los devanados del estator en ambos casos?

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Unidad 5

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1. Principio de funcionamiento de las máquinas rotativas de corriente alterna Como hemos visto con anterioridad, una máquina rotativa elemental opera utilizando un sistema de conmutación basado en el colector de delgas. En este caso se produce una fuerza electromotriz que no cambia de signo. Sin embargo, si se sustituye dicho sistema de conmutación por un par de anillos rozantes, de modo que sobre ellos se apoyen las escobillas, se comprueba que la fuerza electromotriz presenta valores positivos y negativos, ya que el sentido de la corriente cambia periódicamente.

De este modo, si se comparan las señales de ambos tipos de generadores, se observa que en el que utiliza colector de delgas el resultado es una señal de tipo pulsatorio, ya que el sentido de circulación de la corriente se mantiene cada media vuelta de espira. Sin embargo, si se usa un sistema de anillos, la corriente cambia de sentido (y de signo) cada media vuelta de la espira y se obtiene en los bornes del rotor una señal de tipo sinusoidal o senoidal.

Posición de la espira

Señal en bornes A-B

a

Figura 5.1. Generador elemental en CC.

a

Figura 5.2. Señal de salida de un generador en CC.

En el caso del generador de corriente alterna, si se mantiene fijo el inducido y es el inductor el que gira, se presenta el mismo fenómeno de inducción y, por tanto, de generación de fuerza electromotriz, invirtiéndose así los papeles de ambos circuitos respecto a la máquina de corriente continua.

Posición de la espira

Señal en bornes A-B

a

Figura 5.3. Generador elemental en CA.

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a

Figura 5.4. Señal de salida de un generador en CA.

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En la práctica esta es la disposición habitual para los generadores, ya que facilita el diseño de la máquina, simplificando así el circuito por el que circula menos corriente (el del inductor) y utilizando el sistema de conexión móvil basado en anillos rozantes y escobillas.

Los generadores de corriente alterna se denominan alternadores.

Inducido Fuerza motriz Inductor (excitación)

Alimentación del inductor Fuerza electromotriz inducida a

Figura 5.5. Alternador elemental con inducido fijo e inductor móvil.

1.1. Frecuencia En el estudio de la máquina elemental de dos polos, una vuelta completa de la espira (ciclo geométrico), genera un ciclo (eléctrico) en la fuerza electromotriz inducida. El tiempo que tarda en producirse dicho ciclo se denomina periodo (T) y se expresa en segundos. Así, el número de ciclos por segundo se denomina frecuencia (f) y se mide en hercios (Hz). De esta forma se puede establecer una relación entre las dos magnitudes: T=

1

Así se deduce, que si en un mismo tiempo se producen más o menos ciclos, la frecuencia también variará en consecuencia.

Si la máquina dispone de más dos polos, como es habitual en las máquinas reales, el número de ciclos por vuelta será igual al número de pares de polos según se muestra en la figura 5.6.

En máquinas eléctricas rotativas de corriente alterna la frecuencia está relacionada con la velocidad de rotación del rotor (N) en revoluciones por minuto (rpm) y con el número de pares de polos (p) de la máquina. f=p

N

N

S

t T

N S

S

t

N

T S N

60

De esta forma es posible conocer la frecuencia de un generador en función de la velocidad a la que gira su sistema motriz.

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Una vuelta de la espira

f

N S

S

t

N

T a

Figura 5.6. Variación del número de ciclos en función del número de pares de polos.

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caso práctico inicial

ejemploS

Parece claro que la velocidad de giro de un motor de corriente alterna nada tiene que ver el valor de la tensión del sistema de alimentación. Es el valor de frecuencia, junto con en número de pares de polos de la máquina, los que determinan dicha velocidad.

¿Qué frecuencia entregará un generador de corriente alterna de 4 polos si es movido por un motor de gasolina que gira a 3000 rpm? f=p

N 3000 =2 = 100 Hz 60 60

Si un motor de corriente alterna con 3 pares de polos es alimentado por un sistema de corriente a 50 Hz, ¿cuál será su velocidad de giro?

N = 60

f 50 = 60 = 1000 rpm p 3

¿A qué velocidad girará motor de ejemplo anterior si está alimentado por una red de 60 Hz? N = 60

f 60 = 60 = 1200 rpm p 3

La velocidad obtenida por la expresión anterior se denomina velocidad de sincronismo. Así, una máquina que consigue que su rotor gire a dicha velocidad se denomina síncrona, y a la que no lo hace asíncrona.

1.2. Ángulo eléctrico vocabulario Español-Inglés Monofásico: single phase Trifásico: three phase Grados eléctricos: electrical degrees Grados geométricos: mechanical degrees

Una vuelta completa de la espira corresponde con un ciclo geométrico de 360°.

Si la máquina tiene dos polos, el ciclo magnético (o eléctrico) coincide con él, ya que es el que se recorre para encontrar un polo del mismo signo que el inicial (N-S-N). Sin embargo, si la máquina tiene 4 polos, el ciclo geométrico correspondiente a la vuelta completa se traduce en un ciclo eléctrico de 180º, ya que es el ángulo que hay que recorrer para pasar por completo por el campo de acción de dos polos de signo contrario.

Polo norte: north pole Polos sur: south pole

2 polos

4 polos

N

N 360º

S

S

S N

Grados eléctricos a

6 polos

180º

S N

N S

S

120º

N

Grados geométricos

Figura 5.7. Grados eléctricos.

1.3. Sistemas de fases

saber más Los sistemas monofásicos están desfasados 90º eléctricos.

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Las máquinas de corriente alterna, tanto generadores como motores, pueden diseñarse para cualquier sistema de fases: bifásico, trifásico, hexafásico, etc., sin embargo, algunos de ellos no tienen demasiadas aplicaciones en la práctica. El sistema más utilizado a nivel industrial es el de tipo trifásico, siendo el que aquí se estudiará principalmente.

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Un sistema trifásico está formado por tres fuerzas electromotrices iguales en frecuencia y magnitud, pero desfasadas entre sí 120° eléctricos. Cada fuerza electromotriz está generada por un devanado independiente, estos devanados se encuentran instalados sobre el estator a 120° unos de otros, tal como se representa de forma simbólica en la siguiente figura.

F1

F2

U

1

F3 120º

3

W 120º

2

120º

V

a

Figura 5.8. Desfase de 120º entre los devanados del estator.

a

Figura 5.9. Formas de onda de un sistema trifásico y ubicación simbólica de los devanados en el estator.

1.4. Campo magnético giratorio El funcionamiento de los motores de corriente alterna, tanto síncronos como asíncronos, está basado en el efecto denominado campo magnético giratorio.

Un motor trifásico dispone de tres devanados separados entre sí 120° cuyas bobinas están montadas sobre el estator de forma distribuida. Si se alimentan los tres devanados utilizando un sistema de corriente alterna trifásica, el campo magnético generado dependerá de los valores instantáneos en cada una de las fases. De esta forma, el signo de los polos cambia en cada uno de los devanados en función de dichos valores a lo largo del tiempo, produciéndose así el efecto de campo giratorio.

En los motores de corriente alterna el campo magnético inductor es de tipo giratorio, y no fijo como en los de corriente continua.

.

C

J. C. M

caso práctico inicial

W

a

U

V

Figura 5.10. Campo giratorio en sentido horario.

De igual forma, si se cambia la secuencia de dos de las fases, se consigue que el flujo circule en sentido contrario. En la práctica, dicho efecto se traduce en el cambio del sentido de giro de la máquina.

El cambio de secuencia de fases es tan sencillo como permutar dos de ellas.

Las máquinas de CA pueden funcionar como motor o como generador.

.

C

J.C.M

caso práctico inicial

U

W

V

saber más a

Figura 5.11. Campo giratorio en sentido antihorario.

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La velocidad del campo giratorio es siempre constante y es la del sincronismo.

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2. Clasificación de máquinas de corriente alterna De igual forma que las máquinas rotativas de corriente continua, las de corriente alterna son reversibles, es decir, pueden funcionar como generador (alternador) o como motor.

Una clasificación de las máquinas de corriente alterna puede ser la siguiente: MÁQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA

Máquinas síncronas

Generadores (Alternadores)

Máquinas asíncronas

Motores sincrónicos

Trifásicos

Generadores

Motores asincrónicos

Monofásicos

Trifásicos

Monofásicos

De rotor bobinado De rotor sin bobinar (Rotor en cortocircuito)

a

Figura 5.12. Clasificación de máquinas de corriente alterna.

Según la clasificación anterior se establecen dos grandes grupos: máquinas síncronas y máquinas asíncronas. Dentro del primer tipo tienen especial interés los generadores o alternadores, y dentro del segundo los motores. No obstante, en la actualidad, son numerosas las aplicaciones en las que se están empleando máquinas de tipo asíncrono como generadores, aunque su estudio se sale de los objetivos de esta obra.

Aquí se tratarán los diferentes tipos de máquinas desde el punto de vista constructivo y de su constitución interna, centrándonos principalmente en el cálculo y en la ejecución de sus devanados. Para ello se realizarán algunas actividades prácticas relacionadas con el arranque y la puesta en marcha, aspectos que facilitarán el estudio de su funcionamiento.

a

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Figura 5.13. Máquina síncrona.

a

Figura 5.14. Máquina asíncrona.

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3. Máquinas síncronas Como ya se ha dicho, las máquinas síncronas son aquellas en las que el rotor gira a la velocidad de sincronismo. De la misma forma que las de corriente continua, están formadas por un circuito magnético y dos eléctricos.

3.1. Circuito magnético de las máquinas síncronas

importante El estator de una máquina síncrona es similar al de una máquina asíncrona, incluso puede ser el mismo

Está constituido por dos partes, una ubicada en el estator y otra en el rotor. En este caso, a diferencia de la máquina de corriente continua, la armadura está en la parte fija o estator, y la culata en la parte móvil o rotor.

Armadura (estator) Ranuras para el devanado de la armadura

N S

Piezas polares (polos) S

a Figura 5.15. Detalle del estator de una máquina síncrona.

N

Culata

a

Figura 5.16. Circuito magnético de una máquina síncrona.

Así, el circuito magnético fijo es la armadura, que está formada por un apilamiento de chapas magnéticas embutido en la carcasa del estator. Está ranurada axialmente para permitir alojar en ella las bobinas del devanado inducido. Las ranuras pueden tener diferentes tamaños y formas en función del tipo y de la potencia de la máquina.

a

Figura 5.17. Posibles tipos de ranuras de la armadura.

El circuito magnético rotativo ubicado en el rotor, también constituido de chapa magnética apilada, está destinado a alojar el circuito del devanado de excitación o inductor. Dicho circuito puede ser de dos tipos: • De polos salientes. Se utilizan generalmente para máquinas de más de dos polos, de gran potencia y tamaño, que van a girar a baja velocidad. En este caso las piezas polares están unidas por la culata que se encuentra en el eje del rotor.

vocabulario Español-Inglés Formas de ranuras: shape of slots Cuña: wedge Devanado giratorio: revolving winding

• Ranurados o de polos lisos. Se utilizan en máquinas de pequeña potencia o bajo número de polos que van a girar a gran velocidad. En ellas el rotor es un tambor con un aspecto similar al de los de corriente continua, pudiendo estar total o parcialmente ranurado.

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Las de polos lisos disponen de zonas sin ranuras (diente ancho) que corresponden con las zapatas polares.

N

N

S

S

S

S

N

N

a

a

Figura 5.18. Rotor de polos salientes (Cortesía de Stator Systems).

Figura 5.19. Rotor ranurado de diente ancho.

3.2. Circuitos eléctricos de una máquina síncrona recuerda Se denomina entrehierro al espacio que existe entre la armadura y el rotor.

Entrehierro

De igual forma que las de corriente continua, las máquinas síncronas tienen dos circuitos eléctricos: el inductor y el inducido. Sin embargo, la principal diferencia respecto a las primeras está en que la disposición de los devanados está invertida, es decir, el inducido está en el estator y el inductor en el rotor.

Circuito inductor Es el encargado de generar el campo magnético de excitación. Se encuentra bobinado sobre el rotor formando un número fijo de polos, que en el recorrido de su contorno deben ser de signo alternativo, es decir, N, S, N, S, etc.

N S

N

El número de polos se define en el momento de la construcción el rotor, por tanto, si la máquina ha sido diseñada para 4 polos, no se podrá utilizar para un número diferente.

a

Figura 5.20. Entrehierro de una máquina síncrona.

Polo Aislante entre anillos

Cabezas de bobinas

Ranuras Conexión del devanado a los anillos Anillos a

caso práctico inicial El rotor con dos anillos pertenece al alternador del grupo electrógeno que se ha llevado al taller de reparación. La misión de los anillos es alimentar el circuito inductor que se encuentra devanado en el rotor.

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Figura 5.21. Inductor de una máquina síncrona.

El colector de anillos A diferencia de las máquinas de corriente continua, la alimentación del circuito del rotor en una máquina síncrona no requiere conmutación. Por este motivo no es necesario montar en él un sistema tan complejo como es el colector de delgas. En este caso la conexión se realiza mediante un par de anillos que alimentan cada uno de los terminales del devanado inductor, y sobre los se apoyan las escobillas.

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Desde el punto de vista del mantenimiento, el colector de anillos y sus escobillas son mucho más duraderos que sus equivalentes en las máquinas de corriente continua, ya que al no haber conmutación, el desgaste por contacto eléctrico es mínimo.

U V W

M/G

s

U1

q

M/G

V1 W1

a

Figura 5.23. Anillos rozantes.

Figura 5.24. Escobillas.

V2 W2

s a

U2

q

a Figura 5.22. Símbolos de una máquina síncrona.

El circuito inducido El devanado del inducido se encuentra alojado en el estator y, en función del número de fases para el que ha sido diseñado, puede ser monofásico, bifásico o trifásico. No obstante, debido a que los últimos son los más utilizados en la industria, serán los que aquí se estudiarán principalmente.

El inducido de una máquina trifásica síncrona (y como se verá más adelante, el de una asíncrona también), está formado por tres devanados, uno por fase, que se entrelazan entre sí siguiendo un diseño geométrico a través de las ranuras de la armadura. Cada uno de estos devanados está formado por una serie de bobinas que se conectan con otras de la misma fase, en mayor o menor medida, en función del número de polos de la máquina.

El número de polos del inducido debe ser el mismo que el número de polos del devanado de excitación o inductor. a Figura 5.25. Inducido o armadura de una máquina síncrona.

La caja de bornes Desde el interior de la máquina a la caja de bornes llegarán 8 conductores. Seis de ellos pertenecen a los devanados del inducido (dos por fase ocho) y dos son los procedentes del portaescobillas que alimenta el circuito inductor.

a

U1

V1

W1

s

W2

U2

V2

q

Figura 5.26. Bornes y conexiones internas de las bobinas de una máquina síncrona.

En el inducido el devanado de cada fase dispone de dos terminales de conexión, uno de principio y otro de fin.

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saber más Antiguamente los bornes de las máquinas trifásicas se nombraban con U-V-W para los principios y con X-Y-Z para los finales.

En la actualidad esta denominación está obsoleta.

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Para etiquetar los distintos terminales se usan las letras U, V, W seguidas de un número, 1 ó 2, que indica si el terminal es un principio o un final, respectivamente. Así, U1-U2 corresponden a los terminales del devanado de una de las fases, V1-V2 a los de la siguiente fase y W1-W2 a los de la última.

De igual forma que otros dispositivos de tipo trifásico (como los trasformadores que estudiaste en unidades anteriores), la conexión entre los devanados de una máquina síncrona puede hacerse en estrella o en triángulo, teniendo en cuenta la relación entre tensiones de fase y línea ya estudiadas.

U2 U2 V1 V1

U1 U1

V1 V1

W1 W1

ss

V2 V2

qq

V1 V1

U1 U1

V1 V1

W1 W1

ss

W2 W2

U2 U2

V2 V2

qq

V2 V2 U1 U1 W2 W2 a

V2 V2 W1 W1

W2 W2

U2 U2

U2 U2 W2 W2 U1 U1 a

Figura 5.27. Conexión triángulo.

W1 W1

Figura 5.28. Conexión estrella.

3.3. Funcionamiento como generador. Alternador caso práctico inicial

El principal uso de la máquina asíncrona es como generador de corriente alterna, recibiendo en este caso el nombre de alternador.

La caja con 8 bornes pertenece al alternador del grupo electrógeno de seguridad que ha llegado al taller para su reparación.

Vca trifásica generada

Vcc excitación Alternador

Fuerza motriz

a

U1

V1

W1

s

W2

U2

V2

q

Figura 5.29. Alternador.

recuerda

Si se aplica al eje una fuerza motriz a la vez que se alimenta el circuito de excitación con una fuente externa de VCC, se obtiene en sus bornes una tensión alterna trifásica, cuya frecuencia depende de la velocidad de giro.

Cuando las bobinas están conectadas en triángulo, la tensión de línea es la misma que la tensión de fase, es decir, V = Vf. Sin embargo, si las bobinas están conectadas en – estrella, la tensión de línea es √3 la – de fase, es decir, V = √3 · Vf.

La excitación de un alternador puede conseguirse de diferentes formas: mediante sistemas estáticos de alimentación (baterías) o mediante un sistema de generación o excitatriz acoplado al propio eje de la máquina. En la actualidad es muy común utilizar un pequeño generador de corriente alterna, que se mueve por el propio eje del alternador, cuya corriente de salida se rectifica mediante diodos o rectificadores semicontrolados.

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Los alternadores son los encargados de producir la mayor parte de la energía eléctrica que utilizamos en la actualidad. Estos se encuentran en las centrales de producción eléctrica y son movidos utilizando sistemas hidráulicos, eólicos o por vapor a presión.

Por lo general, la mayoría de los alternadores son de tipo trifásico, sin embargo, para aplicaciones menores, como pueden ser los grupos electrógenos de baja potencia, pueden ser monofásicos o bifásicos.

En la figura siguiente se muestra el alternador de una minicentral hidroeléctrica.

saber más Una excitatriz es una máquina acoplada (o no) al eje del propio alternador que se encarga de producir la energía requerida para alimentar el devanado de excitación.

a

Figura 5.30. Minicentral hidroeléctrica.

Regulación de la tensión y frecuencia de salida La corriente del inductor debe mantenerse como un valor fijo (el asignado en la placa de bornes). La variación de dicha corriente, mediante un sistema de alimentación regulable basado en un Variac y en un rectificador de corriente (o cualquier sistema similar), permite ajustar el valor de la tensión de salida del alternador.

saber más Los sistemas eólicos de producción de energía hacen buen uso de los generadores de corriente alterna.

El ensayo de vacío permite definir la curva que relaciona la tensión de salida del alternador con la corriente de excitación. En dicha curva se comprueba cómo para valores bajos de excitación (hasta algo más del valor nominal), la tensión generada aumenta en forma lineal, es decir, proporcional, a dicha corriente. Sin embargo, una vez se ha superado cierto valor de excitación, el núcleo magnético se satura y, por tanto, la tensión generada prácticamente no aumenta o lo hace tímidamente.

Tensión generada

V

Iexc Corriente de excitación a

Figura 5.32. Curva que relaciona la corriente de excitación con la tensión generada.

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a

Figura 5.31. Aerogenerador.

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Por otro lado, la velocidad de giro del rotor y el número de pares de polos de la máquina son las variables que determinan la frecuencia (Hz) en los bornes de salida del alternador. Así, para un mismo número de pares de polos, a mayor velocidad de arrastre, mayor es la frecuencia.

Un ejemplo de lo anterior puede ser el de un alternador que dispone de 2 pares de polos y que gira a 1500 rpm. Matemáticamente se puede comprobar que la frecuencia de salida es de 50 Hz. f=p

N 60

=2·

1500 60

= 50 Hz

Sin embargo, si la misma máquina girara a una velocidad inferior, por ejemplo, 750 rpm, la frecuencia en bornes sería de 25 Hz. f=p

N 60

=2·

750 60

= 25 Hz

De esto se deduce que la regulación del sistema motriz acoplado al eje de un alternador influye directamente sobre el valor de la frecuencia obtenida.

De igual forma, si el número de revoluciones de sistema motriz aumenta considerablemente, la frecuencia también lo hará. f=p

N 60

=2·

4000 60

= 133,33 Hz

3.4. Funcionamiento como motor. Motor síncrono saber más Para poder realizar el acoplamiento de un alternador a la red eléctrica es necesario que la frecuencia y la tensión generadas coincidan con las del sistema con el que se van a acoplar.

saber más Cuando se habla de cargar un generador, decimos que se aplica un receptor eléctrico (carga eléctrica) en sus bornes. Si por el contrario se trata de un motor, quiere decir que se aplica una resistencia mecánica en su eje.

La máquina síncrona, además de funcionar como generador, puede usarse como motor. Para ello debe mantenerse la corriente de excitación y aplicar la alimentación (en este caso trifásica) al devanado del estator.

Con estas condiciones de alimentación se produce en el circuito magnético del estator el efecto denominado campo magnético giratorio, ya mencionado al principio de esta unidad. Si se alimenta la excitación, el devanado inductor genera un campo magnético fijo que intenta alinearse con el campo giratorio en un breve periodo de tiempo (el de la velocidad de sincronismo), no pudiendo arrancar. En esta situación el rotor puede emitir un zumbido debido a las rápidas atracciones y repulsiones e, incluso, puede sufrir un ligero balanceo, pero sin logar arrancar. Sin embargo, si con un sistema de arrastre se lleva al rotor a la velocidad de sincronismo, cuando este se desacopla de su eje, el motor síncrono continuará girando.

Debido a esta condición indispensable para su arranque, el motor asíncrono solamente es utilizado en aplicaciones muy específicas.

actividadeS 1. Antes de continuar se recomienda realizar la práctica profesional 1 del final de la unidad. Con ella podrás comprobar cómo funciona un alternador trifásico y cuál es su comportamiento al variar la velocidad de arrastre y la corriente de excitación.

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4. Máquinas asíncronas Deben su nombre a que funcionan a una velocidad diferente (inferior) a la de sincronismo.

El funcionamiento como motor es el principal uso de las máquinas asíncronas. No obstante, en la actualidad, se están utilizando con regularidad como generadores, aunque su estudio se sale de los objetivos de este libro.

Núcleo de la armadura

Caja de bornes

Ventilador

Rotor en cortocircuito J.C..M M.Ca

stiilllo lo

Cojinete

Tapa del ventilador

Eje

Escudo posterior Placa de características

Escudo anterior

Devanado del estator a

Figura 5.33. Constitución de un motor asíncrono trifásico.

De la misma forma que las máquinas síncronas, las asíncronas están formadas por un circuito magnético y dos circuitos eléctricos, además de otros elementos como son: la carcasa, escudos, tapas, base de fijación, etc.

4.1. Circuito magnético Está formado por dos partes: una fija en el estator y una móvil en el rotor.

La armadura o estator El estator es idéntico al utilizado en las máquinas síncronas, por tanto aquí no se volverá a enunciar cuál es su constitución, ya que no existe ninguna diferencia entre ambos.

El rotor En cuanto al rotor, puede ser de dos tipos: • Rotor en cortocircuito. Este tipo no dispone de ranuras abiertas que permitan insertar en ellas un bobinado ejecutado a base de hilo o pletina esmaltada. Sin embargo, está constituido por un número determinado de barras rígidas que se cierran en cortocircuito en sus extremos, formado así su propio devanado.

• Rotor ranurado. Su aspecto es similar al de otros rotores ya estudiados para otros tipos de máquinas. Se encuentra ranurado en todo su contorno para permitir alojar en él un devanado construido a base de bobinas de hilo o pletina esmaltada.

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Armadura (estator) Barras del rotor

Ranuras de la armadura

Rotor en cortocircuito

a Figura 5.34. Partes de una máquina asíncrona con rotor en cortocircuito.

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Algunos rotores se muestran a continuación:

a

a

Figura 5.35. Rotor en cortocircuito.

Figura 5.36. Rotor ranurado.

4.2. Circuitos eléctricos en máquinas asíncronas recuerda Los circuitos magnético y eléctrico del estator de una máquina asíncrona son los mismos que los de una máquina síncrona.

La parte eléctrica de las máquinas asíncronas está formada por dos circuitos: uno en el rotor y otro en el estator.

Si consideramos su funcionamiento como motor, el circuito inductor se encuentra ubicado en el estator y el inducido en el rotor.

Inductor El devanado del inductor es idéntico al utilizado en el estator de la máquina síncrona. En la industria, aunque existen devanados de tipo monofásico y bifásico, mayoritariamente son de tipo trifásico, que están formados por tres devanados (uno por fase) distribuidos por el perímetro de la armadura y separados entre sí 120° eléctricos.

a

Figura 5.37. Estator de una máquina asíncrona.

El número de polos de una máquina se define en el momento de la ejecución de este devanado. Así, la velocidad de giro dependerá de este dato y de la frecuencia de la red de alimentación.

Inducido Es el circuito eléctrico que está ubicado en el rotor. Puede ser de dos tipos: de barras en cortocircuito o bobinado.

U1 V1 W1

• De barras en cortocircuito. Como ya se ha dicho anteriormente, está formado por barras, normalmente de aluminio, embutidas en ranuras ciegas en el tambor del rotor, que se cierran en sus extremos mediante discos del mismo material, dando al sistema un aspecto de jaula de ardilla por lo que este tipo de rotores suelen recibir este nombre.

U1 V1 W1

U2 V2 W2 a

Figura 5.38. Símbolos de un motor asíncrono trifásico con rotor en cortocircuito.

05 Maquinas electricas.indd 184

a

Figura 5.39. Barras de un rotor en jaula de ardilla.

En los motores de gran potencia estas barras son intercambiables para ser sustituidas en caso de deterioro o rotura.

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Máquinas rotativas de corriente alterna

185

Para mejorar el par de arranque, los rotores en cortocircuito pueden ser: a) De doble jaula. Constituido por un segundo grupo interno de barras y concéntrico al principal. b) De ranura profunda. Formado por un único sistema de barras alargadas hacia el interior del rotor.

caso práctico inicial En realidad, el rotor de la máquina que ha llegado para reparar, sí dispone de devanado, pero es un poco especial, ya que en lugar de estar construido por hilo de cobre esmaltado, está hecho con unas barras internas conectadas en cortocircuito.

vocabulario Español-Inglés

a

Figura 5.40. Rotores de doble jaula (izquierda) y de ranura profunda (derecha).

Este tipo de máquinas es el más utilizado en la actualidad debido a que su mantenimiento es prácticamente nulo gracias a la ausencia de conexiones móviles o rozantes, algo que es característico en los sistemas basados en colector.

El conexionado de un motor al exterior se realiza a través de los seis bornes de su caja de conexiones, pudiendo hacerse en estrella o en triángulo, como ya se ha visto anteriormente. En este caso, la conexión estrella es para la tensión mayor y la conexión triángulo para la menor.

Asíncronos: asynchronous Síncronos: synchronous Campo magnético giratorio: rotating magnetic field Trifásico: three-phase Espiras: turns Deslizamiento: slip Entrehierro: air gap Ventilador: fan Velocidad: speed Baja tensión: low voltage Alta tensión: high voltage

U1

V1

W1

U1

V1

W1

U1 V1 W1 W2

a

U2

V2

W2

U2

V2

Figura 5.42. Conexión de la caja de bornes de un motor trifásico de inducción.

• De rotor bobinado. El tambor del rotor es de tipo ranurado y en él se alojan las bobinas que constituyen el devanado, que recibe el nombre de rotórico. Una de las principales características de este tipo de motores es que dispone de un elevado par de arranque respecto a los motores de rotor en jaula de ardilla de ranura normal. Como con los motores de rotor en cortocircuito de doble ranura o ranura profunda se obtienen resultados similares, los motores de rotor bobinado han quedado relegados a aplicaciones muy específicas.

El devanado del rotor suele estar formado por tres devanados, que se conectan en estrella por uno de sus extremos y a los anillos del colector por el otro. No obstante, el número de devanados puede ser diferente, siempre que se obtenga el mismo número de polos que tenga el estator.

05 Maquinas electricas.indd 185

K

L M

U1

U2

V1

V2

W1

W2 K

L M

a Figura 5.41. Símbolos de un motor asíncrono trifásico con rotor bobinado.

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Unidad 5

186

Un esquema es el siguiente:

caso práctico inicial La caja con nueve bornes pertenece a la máquina asíncrona de rotor bobinado. Seis de ellos son del devanado situado en el estator y los otros tres, etiquetados como K, L, M, del devanado del rotor.

Caja de bornes

Rotor bobinado (inducido)

Escobillas Escudo Colector de anillos Devanado de la armadura (inductor) Estator

saber más Algunos tipos de aerogeneradores utilizan máquinas asíncronas de rotor bobinado.

caso práctico inicial La diferencia entre la velocidad de sincronismo y la indicada en la caja de bornes del motor trifásico con rotor en jaula de ardilla se llama deslizamiento y es necesaria para que el motor pueda girar. Dicho de otra forma, si no existiera el deslizamiento, el rotor se pararía.

NS Nm

a

Escudo

Figura 5.43. Partes de un motor de rotor bobinado.

Los motores de rotor bobinado, también denominados de anillos rozantes, están diseñados para trabajar en cortocircuito.

a Figura 5.44. Detalle del colector de anillos y de las escobillas de un motor asíncrono de rotor bobinado.

4.3. Funcionamiento del motor asíncrono En una máquina asíncrona, funcionando como motor, al alimentar el devanado del estator se genera un campo magnético de tipo giratorio que induce una corriente sobre el devanado del rotor (sea de barras o bobinado). Esta corriente a su vez genera por inducción (de ahí el nombre que se le suele dar a este tipo de motores) un campo magnético rotórico que se comporta como si de imanes permanentes se tratara. De esta forma, el rotor intenta alinearse con el campo del estator, provocando en él un par de fuerzas que provocan el giro. Así, siempre que se mantenga el campo del inductor, el rotor gira buscando su alineamiento.

La velocidad del campo giratorio es la de sincronismo, sin embargo, la del rotor siempre debe estar por debajo de ella, ya que si ambas llegaran a igualarse, el motor se pararía. La diferencia entre ambas velocidades recibe el nombre de deslizamiento (S). Se suele expresar en % y se calcula mediante la siguiente expresión:

a

Figura 5.45. Velocidades del motor síncrono.

S=

N S – Nm NS

· 100

Donde Ns es la velocidad de sincronismo y Nm la de la máquina.

05 Maquinas electricas.indd 186

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Máquinas rotativas de corriente alterna

187

El momento del arranque El instante del arranque de un motor de inducción es especialmente delicado, ya que la máquina debe vencer el par resistente que se aplica en su eje hasta conseguir la velocidad de funcionamiento nominal. Si la carga que se aplica en él es excesivamente grande, el motor puede no llegar a arrancar.

Corriente

Los fabricantes de motores suelen representar esta característica mediante la denominada curva par-velocidad. En ella se puede observar lo que ocurre con el par motor hasta que consigue la velocidad nominal. Como se observa en las figuras, existe una zona inestable en la que el par motor pasa por diferentes valores. En ese momento, si el par resistente es excesivamente elevado y está por encima de la curva del par motor, la máquina puede tener problemas para arrancar o incluso no conseguirlo. Una vez superada esta zona inestable, el motor consigue su velocidad nominal, funcionando en condiciones normales.

e

Corr ient eq ue ab so rb

tor mo el

Par de arranque

r

Pa rm ot o

Par

Par máximo

Par

Par mínimo

nte iste res r a P

Zona inestable 0

Zona estable Velocidad nominal

a

Figura 5.46. Curva par-velocidad.

Corriente nominal

iste res Par

Velocidad Velocidad de sincronismo

Pa rm ot

or

Par nominal

Zona inestable 0

nte

Zona estable

Velocidad

a

Figura 5.47. Curva de corriente sobre la curva par-velocidad.

Vencer el par resistente en el momento del arranque, cuando el motor está a plena carga, produce una sobrecorriente cuyo valor es muy superior a la corriente nominal del motor. Este exceso puede resultar enormemente perjudicial, tanto para la instalación como para la aparamenta que alimenta la máquina. Este efecto se enfatiza en los motores de gran potencia, de modo que será necesario tenerlo siempre en cuenta. Para evitar este efecto tan perjudicial se recurre a diferentes métodos en función del tipo de motor.

En los motores con rotor en cortocircuito o jaula de ardilla se recurre a diferentes sistemas de arranque como los denominados: estrella-triángulo, Part-Winding o de devanados separados, por resistencias estatóricas o por autotransformador. En los motores de rotor bobinado es habitual el arranque denominado por eliminación de resistencias rotóricas. En cualquiera de los casos, su estudio se sale de los objetivos de esta unidad.

El arranque estrella-triángulo es, desde hace tiempo, uno de los más utilizados, aun así, en la actualidad se están viendo sustituidos paulatinamente por sistemas electrónicos basados en arrancadores progresivos o variadores de velocidad.

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recuerda En la instrucción ITC-BT-47 del REBT se establece que la constante máxima de proporcionalidad entre la intensidad de la corriente de arranque y la de plena carga.

En motores de corriente continua debe ajustarse a los siguientes valores: Potencia

Constante

De 0,75 kW a 1,5 kW

2,5

De 1,5 kW a 5,0 kW

2,0

De más de 5,0 kW

1,5

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Unidad 5

188

5. Devanados de máquinas de corriente alterna caso práctico inicial No hay ninguna diferencia entre el devanado del estator de un generador de corriente alterna y el de un motor, es más, si las máquinas fueran idénticas en dimensiones y características eléctricas, podrían intercambiarse entre sí.

Los devanados de las máquinas de corriente alterna se ubican en: • el rotor de máquinas síncronas, bien sea de polos salientes o de polos lisos, • el rotor de las máquinas asíncronas de polos lisos, • el estator de máquinas síncronas y asíncronas, ya sea funcionando como motor o como generador, siendo el proceso de cálculo, diseño y ejecución idéntico en ambos casos.

Los devanados del estator se diseñan según el número de fases del sistema de alimentación al que van a ser conectados. Si bien pueden construirse para los de tipo monofásico y bifásico, aquí se centrará el estudio en los devanados de tipo trifásico, ya que son los más utilizados en la industria.

5.1. Conceptos previos para el diseño y ejecución de devanados en corriente alterna A continuación se describirán aquellos conceptos de uso común que son necesarios para calcular y diseñar los diferentes tipos de devanados de corriente alterna.

Bobinas y grupos de bobinas El concepto de bobina es el mismo que el estudiado para los devanados de corriente continua. Una bobina es un conjunto de espiras de, aproximadamente el mismo tamaño, que se inserta entre dos ranuras del núcleo magnético. Disponen de dos lados activos, dos cabezas y dos (o más) terminales de conexión.

Un grupo de bobinas está formado por dos o más bobinas unidas entre sí, construidas con un conductor del mismo diámetro y del mismo número de espiras.

Bobinas Lados activos

Terminales a

a

Figura 5.49. Grupo de tres bobinas.

05 Maquinas electricas.indd 188

Cabeza superior

Hilo de unión entre bobinas

Figura 5.48. Grupo de bobinas.

En los esquemas de devanados de corriente alterna los grupos de bobinas se representan de forma simplificada, dibujándose solamente las cabezas superiores, los lados activos y las conexiones entre grupos de bobinas. No obstante, en algunas ocasiones, también se recurre a una representación más desarrollada en la que se muestran las uniones entre las diferentes bobinas del grupo.

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Máquinas rotativas de corriente alterna

189

Algunas representaciones esquemáticas son: Grupo de bobinas

Representación desarrollada

1 2 3

a

Representación simplificada

10 11 12

1 2 3

10 11 12

Figura 5.50. Representación de un grupo de tres bobinas.

Tipos de devanados Los dos tipos de devanados más representativos son los concentrados y los distribuidos.

• Devanados de tipo concentrado. En ellos cada polo se forma con una única bobina arrollada sobre la pieza polar. Es el sistema utilizado para el devanado de excitación de las máquinas de corriente continua y, también, para el devanado del inductor de las máquinas síncronas basadas en rotor de polos salientes. Si bien este tipo de devanado podría utilizarse para los estatores de las máquinas de corriente alterna, en la actualidad está en desuso debido al bajo aprovechamiento de núcleo, pues requiere una armadura de mayor tamaño.

Bobina 1

Los devanados de tipo concentrado solamente se utilizan para la excitación en máquinas de corriente continua, para rotores de polos salientes en máquinas síncronas y para devanados de motores Brushless y Paso a paso.

Bobina 2 Bobina 1

S

s

caso práctico inicial

N

q

Bobina 2

S

N

Rotor máquina síncrona

a

Figura 5.51. Devanado concentrado de dos polos y su aplicación al inductor de una máquina síncrona.

• Devanados de tipo distribuido. Utilizan varias ranuras por polo y fase, permitiendo así un mejor aprovechamiento del núcleo de la máquina y, por tanto, optimizar su tamaño. En estos devanados los haces activos de una misma bobina se encuentra ubicados en polos contiguos de signo contrario, recibiendo por este motivo el nombre de distribuidos.

El sistema de devanados distribuidos es el más utilizado en la actualidad para la construcción de circuitos eléctricos en estatores, tanto en máquinas de corriente alterna síncronas como asíncronas.

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vocabulario Español-Inglés Devanado concentrado: concentrated winding Devanado distribuido: distributed winding Devanado concéntrico: concentric winding Devanado excénctrico o en cadena: chain winding

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Unidad 5

190

Un esquema de este tipo de devanado sería el siguiente: S

N

1

2

3

U1 a

4

W2

5

6

7

V1

8

9 10 11 12

U2

W1

V2

Distribución de bobinas en el estator

Figura 5.52. Ejemplo de un devanado distribuido.

Los devanados distribuidos pueden ser de dos tipos: concéntricos y excéntricos. a) Devanados concéntricos. Son aquellos en los que las bobinas de los grupos se construyen de forma concéntrica con diferentes tamaños. El diseño y la ejecución de este tipo de devanados son sencillos, sin embargo, debido a la disposición que tienen las cabezas de las bobinas en el interior de la máquina, el aprovechamiento del espacio es menor que en los de tipo excéntrico. b) Devanados excéntricos. Son aquellos cuyos grupos tienen todas las bobinas iguales. Su ejecución en la máquina permite un mejor peinado de las cabezas y, por tanto, un mejor aprovechamiento del espacio respecto a los de tipo concéntrico.

Bobinas concéntricas

a

Bobinas excéntricas

N

S

1 2 3

10 11 12

N

S

1 2 3

10 11 12

Figura 5.53. Grupos de bobinas para devanados concéntricos y excéntricos.

Los devanados excéntricos pueden ser imbricados de una capa, imbricados de doble capa u ondulados. A continuación se tratarán ejemplos de cálculo y ejecución de cada uno de ellos.

vocabulario

Conexiones entre grupos de bobinas

Español-Inglés

La conexión entre los diferentes grupos de bobinas puede hacerse de dos formas diferentes:

Por polos: whole coil winding Por polos consecuentes: half coil winding

05 Maquinas electricas.indd 190

• por polos, • por polos consecuentes.

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Máquinas rotativas de corriente alterna

191

Conexión por polos Se realiza conectando el final de un grupo con el final del siguiente, y el principio de este con el principio del siguiente.

N

S

N

Final

Final

N

Final

Final

Principio

Principio a

S

Figura 5.54. Conexión por polos en una máquina de 4 polos.

Así, en este tipo de conexión hay tantos grupos de bobinas por fase (Gf), como polos (2p) tiene la máquina.

Gf = 2p Si el resultado se multiplica por el número de fases (q) del sistema de alimentación, se conoce el número total de grupos requeridos para el devanado.

G = 2pq Conocer el número de grupos por fase y el número de grupos totales del devanado, no es un dato esencial para el cálculo geométrico del mismo, pero permite comprobar que su diseño es correcto.

Conexión por polos consecuentes Se dice que una conexión se hace por polos consecuentes cuando se conecta el final de un grupo de bobinas con el principio del siguiente y así sucesivamente.

S

S

Final a

S

S

Final

Principio

S

S

Principio

Figura 5.55. Conexión por polos consecuentes en una máquina de 6 polos.

En este caso el número de grupos por fase (Gf) corresponde a la mitad del número de polos, es decir, es igual al número de pares de polos (p).

Gf = p Por tanto, el número total de grupos del devanado es el producto de los pares de polos por el número de fases del devanado (q): G = pq

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Unidad 5

192

Ubicación de los principios de fase de un devanado Los principios de fase permiten definir geométricamente las ranuras en las que estarán ubicados cada uno de los grupos de las fases.

En función si el devanado es trifásico o bifásico, el paso de los principios de fase se calcula utilizando las siguientes expresiones: Trifásicos Y120 =

Bifásico

K

Y90 =

3p

K 4p

El resultado obtenido se suma sucesivamente en una tabla denominada de principios de fases, obteniéndose lo siguiente: U

V

W

1

1+Y120

1+2Y120

1+3Y120

1+4Y120

1+5Y120

….

Así, cada columna representará la ranura en la que comienza un nuevo grupo de una misma fase.

Esta tabla contiene más o menos filas en función del número de ranuras y del de pares de polos del devanado a diseñar.

Las ranuras de la primera fila de cada una de las fases (U-V-W) corresponden a los terminales de inicio (los que van a la caja de bornes) de cada uno de los devanados.

Bobinas por grupo

saber más El número de bobinas por grupo es el mismo para cualquiera de las fases del devanado. No obstante, existen excepciones como las que se nombrarán más adelante, en las que grupos de una misma fase pueden tener un número de bobinas diferente.

El número de bobinas por grupos (U) se calcula: Por polos U=

K 4pq

Por polos consecuentes U=

K 2pq

A continuación se abordará el cálculo y el diseño de los diferentes tipos de devanados en corriente alterna, analizando previamente los conceptos particulares de cada uno de ellos.

5.2. Devanados concéntricos Son aquellos que solamente utilizan grupos de bobinas concéntricas, ejecutándose siempre a una capa.

Condición de ejecución De igual forma que en los devanados de corriente continua, no todos se pueden ejecutar para cualquier número de polos y de ranuras. No obstante, los devanados de corriente alterna son algo menos restrictivos en ese sentido que los ya estudiados para corriente continua.

05 Maquinas electricas.indd 192

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Máquinas rotativas de corriente alterna

193

Para conocer si un devanado de este tipo se puede ejecutar, se debe calcular el número de ranuras por polo y fase (Kpq) mediante la siguiente expresión: Kpq =

K

saber más Para la construcción de devanados concéntricos es necesario utilizar moldes preformados específicos.

2pq

Donde K es el número de ranuras, p el número de pares de polos y q el número de fases.

El resultado óptimo de este cálculo es un número entero. No obstante si dicho número es impar y el devanado se ejecuta por polos, se puede hacer coincidir en una misma ranura bobinas de distintos grupos de la misma fase que se hayan construido con la mitad de espiras. También sería posible realizar devanados con unos grupos con la mitad de bobinas que otros.

a

a

Figura 5.57. Coincidencia de bobinas en una misma ranura.

a

Figura 5.56. Moldes para grupos de bobinas concéntricas.

Figura 5.58. Grupos asimétricos de una misma fase.

En el caso de un devanado realizado mediante polos consecuentes, el resultado óptimo para el diseño también es un número entero, ya sea par o impar. Sin embargo, si se obtiene un número fraccionario formado por un número entero más 0,5, se debe proceder, como se ha visto anteriormente, a dividir el número de espiras de una de las bobinas de un grupo y hacerla coincidir en la misma ranura con una bobina de similares características del siguiente grupo.

Cualquiera de estas excepciones requiere una cierta experiencia en el diseño del devanado, ya que en numerosas ocasiones se salen de la lógica del desarrollo que se va a explicar a continuación.

saber más Todos los devanados excéntricos se ejecutan a una capa salvo las excepciones aquí nombradas.

Amplitud Es el número de ranuras que quedan libres (para ser usadas por grupos de otras fases) entre los dos haces activos de la bobina interior, o más pequeña, del grupo.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Amplitud m=6 a

10 11 12

1

2

3

4

5

6

7

8

Amplitud m=4

Figura 5.59. Amplitud de bobina.

05 Maquinas electricas.indd 193

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Unidad 5

194

Número de fases del devanado Los devanados concéntricos de corriente alterna se ejecutan principalmente para sistemas trifásicos, pero también pueden realizarse para bifásicos y monofásicos.

N

S

1

2

3

U1 a

4

5

6

7

W2

8

S

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

V1

W1

U2

V2

Figura 5.60. Devanado trifásico.

N

S

1

2

3

4

5

U1 a

N

6

7

8

N

S

N

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

V1

U2

V2

Figura 5.61. Devanado bifásico.

Los devanados trifásicos y bifásicos utilizan las mismas expresiones de cálculo, excepto las destinadas a la obtención del paso de principio de fase (Y120 e Y90).

Sin embargo, el proceso y el diseño de cálculo de los devanados monofásicos son ligeramente diferentes, por lo que su estudio se realizará en la próxima unidad.

Conexión de los grupos de bobinas

saber más Antes de ejecutar los devanados en la máquina, los circuitos magnéticos de estator y rotor deben estar aislados convenientemente.

La conexión entre los grupos de bobinas de una misma fase se realiza, en general, siguiendo los siguientes criterios: • Los devanados trifásicos bipolares siempre se ejecutan por polos.

• Los devanados trifásicos de más de dos polos (multipolares) se ejecutan por polos consecuentes.

• Los devanados monofásicos y bifásicos siempre se ejecutan por polos.

TRIFÁSICO

BIFÁSICO

MONOFÁSICO

a

Figura 5.62. Aislamiento de las ranuras del rotor.

Multipolar

Bipolar

Por polos consecuentes a

Figura 5.63. Aislamiento de las ranuras del estator.

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a

Multipolar

Bipolar

Por polos

Figura 5.64. Elección del tipo de conexión de grupos.

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Máquinas rotativas de corriente alterna

195

Proceso de diseño de devanados concéntricos En este apartado se muestra cómo ejecutar varios tipos de devanados concéntricos partiendo de unos datos previos.

• Datos previos al cálculo. Se parte de los siguientes datos conocidos: – Pares de polos de la máquina (p).

– Número de ranuras del estator (K).

– Tipo de conexión (por polos o por polos consecuentes).

• Paso 1. Se comprueba si el devanado se puede ejecutar con la expresión del cálculo de ranuras por polo y fase.

Kpq =

K 2pq

El resultado debe ser un número entero. No obstante, el devanado se podrá ejecutar si esto no se cumple teniendo en cuenta las excepciones vistas con anterioridad.

• Paso 2. Se calcula el número de bobinas por grupo (U): Por polos

U=

Por polos consecuentes

K

U=

4pq

K 2pq

Se obtiene la amplitud (m): Por polos

Por polos consecuentes

m = (q–1) · 2U

m = (q–1) · U

Se calcula el paso de principios por fase: Trifásicos

Y120 =

Bifásicos

K

Y90 =

3p

K 4p

Se representa la tabla de principios de ciclo, marcando la celda superior izquierda con la ranura número 1: U1

V1

W1

1 ….

Opcionalmente, ya que no es imprescindible para el diseño del esquema, se puede calcular el número de grupos por fase (Gf):

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Por polos

Por polos consecuentes

Gf = 2p

Gf = p

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Unidad 5

196

ejemplo A continuación se muestra un ejemplo de cálculo y representación de un devanado concéntrico trifásico para el estator de un motor de inducción con rotor de jaula de ardilla. Los datos de partida son los siguientes: • Número de polos: 4 (2 pares de polos).

• Número de ranuras: K = 24.

• Número de fases: q = 3.

Cálculo Como el número de polos es 4, el devanado de debe ejecutar por polos consecuentes.

Datos principales Kpq =

Condición de ejecución

K

U=

Número de bobinas por grupo

=

2pq K

2pq

24 2·2·3 =

= 2 (par)

24 2·2·3

=2

m = (q – 1) · U = (3 – 1) · 2 = 4

Amplitud

Y120 =

Paso de principios de fase

K 3p

=

24 3·2

=4

Diseño 1. Se construye la tabla de principios de fase sumando sucesivamente, en celdas contiguas, el resultado de la anterior más el valor de Y120: V

W

1

5

9

13

17

21

Se finaliza el proceso de suma cuando el número obtenido es superior al número de ranuras, que en este caso es 24.

saber más Es aconsejable establecer colores para cada una de las fases, también definir los principios y finales de cada devanado.

a

U

U1

U2

V1

V2

W1

W2

2. Se representan todas las ranuras numeradas.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

3. Se dibuja el primer grupo a partir de la ranura 1, sabiendo que el número de bobinas por grupo es de 2 y que la amplitud es 4.

4. Según la tabla de principios de fase, el primer terminal de este devanado sale de la ranura 1, por tanto, se etiqueta con la referencia U1.

Figura 5.65. Fases del devanado.

05 Maquinas electricas.indd 196

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Máquinas rotativas de corriente alterna

197

5. De la tabla de principios de fase se obtiene el comienzo del segundo grupo de la misma fase (que en este caso corresponde a la ranura 13) y se representa a partir de ahí con la misma amplitud (m = 4) y número de bobinas por grupo (U = 2).

6. Al ser conexión por polos consecuentes, se une el final del primer grupo (ranura 7) con el inicio del siguiente (ranura 13).

7. El final del segundo es el terminal de salida (U2) de este devanado.

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

U1 a

U2

Figura 5.66. Conexión por polos consecuentes entre grupos de la misma fase.

8. Se dibuja el segundo devanado, sabiendo que los principios de los grupos de esta fase están en las ranuras 5 y 17.

9. Se representan los terminales de este devanado, que corresponde con la ranura 5 para el principio V1 y con la ranura 23 para V2.

1

2

3

4

5

U1 a

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

V1

U2

V2

Figura 5.67. Representación del devanado de la fase V1 – V2.

10. Se dibuja el tercer y último devanado siguiendo el mismo criterio que en los anteriores. En este caso los principios de fase corresponden a las ranuras 9 y 21, siendo el terminal de entrada W1 el de la 9, y el de salida W2 el de la número 3.

11. Para comprobar que el devanado es correcto, se establece el sentido de corriente para una de las fases y se comprueba que los polos consecutivos son de diferente signo, siendo recomendable hacer lo mismo para cada uno de los devanados de forma independiente.

N

S 1

2

U1 a

3

4

W2

5

6

V1

7

8

N

En las máquinas de gran potencia es habitual aislar los devanados de las diferentes fases con aislantes laminados flexibles.

S

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

W1

Figura 5.68. Devanado completo.

05 Maquinas electricas.indd 197

saber más

U2

V2 a Figura 5.69. Aislamiento entre bobinas de diferentes fases (Cortesía de Pinellas Electric Motor Repair).

17/07/12 08:15

Unidad 5

198

Devanados concéntricos bifásicos Los devanados concéntricos bifásicos se diseñan para un sistema de dos fases y tienen un proceso de desarrollo similar al de los trifásicos.

1.ejemplo A continuación se muestra un ejemplo de cálculo y representación de un devanado concéntrico bifásico cuyos datos de partida son los siguientes: • Número de polos: 4 (2 pares de polos).

• Número de ranuras: K = 32.

• Número de fases: q = 2.

Cálculo Todos los devanados bifásicos se ejecutan por polos.

Datos principales Kpq =

Condición de ejecución

saber más Un devanado bifásico se puede conectar a un sistema de alimentación monofásico (fase y neutro), y viceversa. No obstante, el diseño de ambos tipos de devanado es diferente.

K 2pq U=

Número de bobinas por grupo

=

32 2·2·2

K

=

4pq

= 4 (entero y par) 32

4·2·2

=2

m = (q – 1) ·2 · U = (2 – 1) 2 · 2 = 4

Amplitud

Y90 =

Paso de principios de fase

K

=

4p

32 4·2

=4

Diseño 1. Se construye la tabla de principios de fase con el dato obtenido en Y90: U

V

1

5

9

13

17

21

25

29

2. Se dibuja el devanado siguiendo el procedimiento visto en el ejemplo del trifásico. Las conexiones entre grupos deben hacerse final con final y principio con principio, ya que este tipo de devanados se ejecuta por polos.

N

S

1

2

U1

U1

U2

V1

V2

a

Figura 5.71. Fases del devanado.

05 Maquinas electricas.indd 198

a

3

4

5

6

7

8

N

9

S

N

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

V1

U2

V2

Figura 5.70. Devanado bifásico de 32 ranuras y 4 polos.

3. Se comprueba si el diseño es correcto estableciendo el sentido de la corriente, primero en el devanado de una fase y luego en el otro, observando en ambos casos si los polos contiguos son de signo contrario.

17/07/12 08:15

Máquinas rotativas de corriente alterna

199

5.3. Devanados excéntricos La principal característica de los devanados excéntricos es que todas sus bobinas son iguales y se ejecutan normalmente por polos. Los bobinados excéntricos pueden ser imbricados u ondulados y, dentro de cada uno, de una o doble capa.

Además, los de tipo imbricado pueden ser enteros o fraccionarios. Aquí solamente se estudiarán los de tipo entero.

Devanados excéntricos imbricados Los devanados excéntricos imbricados pueden ejecutarse en una o doble capa.

En los primeros, una ranura es ocupada por un solo haz activo de una bobina; en los segundos, una ranura es ocupada por dos haces activos de bobinas diferentes.

El número total de bobinas del devanado en los de una capa es igual a la mitad del número de ranuras, y en los de doble capa es igual a la totalidad del número de ranuras.

Una capa

Doble capa

K

B=

U=K

2

En el esquema las bobinas se representan de la siguiente manera: • En los devanados de una capa las bobinas de un grupo salen de ranuras impares y llegan a ranuras pares.

• En los devanados de doble capa los haces activos de las bobinas que llegan a una ranura coinciden en ella con haces activos que salen de bobinas de su misma fase.

1

a

2

3

4

5

6

7

8

9

Figura 5.72. Detalle de un devanado de una capa.

10

1

a

2

3

4

5

6

05 Maquinas electricas.indd 199

9

10

Ranuras a contar para Yk = 6

El paso polar (Yp) es la distancia que existe entre dos masas polares contiguas de signo contrario. El paso de ranura o de bobina (YK) coincide con el paso polar; sin embargo, en los devanados de una capa debe ser un número impar. Si esto no es así, es necesario acortarlo.

Paso de ranura (impar en devanados de una capa)

8

Figura 5.73. Detalle de un devanado de doble capa.

El número de bobinas por grupo (U) y de grupos por fase (Gf) se calcula mediante las expresiones: B Gf = 2p U= 2pq

Paso polar

7

Yp =

K

N 1

S 2

3

4

5

6

7

8

2p

YK = Yp

a Figura 5.74. Ranuras a contar para el paso de ranura YK.

17/07/12 08:15

Unidad 5

200

recuerda Para la construcción de las bobinas de devanados excéntricos es necesario utilizar moldes que permitan que todas tengan el mismo tamaño.

El cálculo del paso de los principios de fase se obtiene con la expresión: Y120 =

K 3p

De igual forma que en los devanados concéntricos, con el resultado obtenido es necesario montar una tabla de principios de fase.

Hay que tener en cuenta que los principios de fase de la tabla obtenida solamente indican el número de ranura en el que comienzan los grupos impares de cada uno de los devanados.

Los grupos pares se representan de la siguiente forma: • Devanados de una capa. En la ranura contigua a la que llega el haz activo de entrada de la primera bobina del grupo.

a Figura 5.75. Moldes para bobinas excéntricas.

• Devanados de doble capa. En la misma ranura en la que llega el haz activo de entrada de la primera bobina del grupo.

ejemplo A continuación se muestra un ejemplo de cálculo y representación de un devanado excéntrico imbricado de una capa. Los datos de partida son: • Número de fases: q = 3.

• Una capa.

• Número de polos: 4 (2 pares de polos).

• Número de ranuras: K = 24.

Cálculo Datos principales

K

B=

Bobinas totales del devanado

U=

Número de bobinas por grupo

2 B

2pq

24

=

2

= 12

12

=

2 · 2 ·3

=1

Gf = 2p = 2 · 2 = 4

Grupos por fase

Yp =

Paso polar

K 2p

=

24 2·2

=6

Se acorta el paso polar a un número impar: YK = 5

Paso de ranura

Y120 =

Paso de principios de fase

K 3p

=

24 3·2

=4

Diseño 1. Se construye la tabla de principios de fase sumando sucesivamente, en celdas contiguas, el resultado de la anterior más el valor de Y120:

05 Maquinas electricas.indd 200

U

V

W

1

5

9

13

17

21

17/07/12 08:15

Máquinas rotativas de corriente alterna

201

vocabulario 2. De igual forma que en los ejemplos anteriores, se representan todas las ranuras numeradas y se establecen colores para cada una de las fases.

Tomando los principios de la fase U, se dibujan los grupos impares con un paso de ranura 5.

Español-Inglés Una capa: single layer Doble capa: double layer Ranura: slot Aislamiento de ranura: slot insulation

U1 1 13

V 5 1

Devanados ondulados: wave windings Número de ranura: slot number

1 a

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Paso de ranura: slot pitch

Figura 5.76. Representación de los grupos impares de la fase U.

3. Los grupos pares se representan en la ranura contigua a la que llega el haz activo de entrada de la primera bobina del grupo. En este caso, el segundo grupo se comienza a dibujar en la ranura 7 y el cuarto grupo en la ranura 19. Lógicamente, con el mismo paso de ranura utilizado para los grupos impares.

4. Se realiza la conexión entre grupos sabiendo que debe hacerse por polos.

5. Se dibujan los terminales que irán a la caja de bornes, es decir, los que corresponden con la ranura 1 (U1) y con la ranura 19 (U2).

6. Se establece un sentido de corriente arbitrario y se comprueba que el número de polos y la polaridad son correctos.

N

S

1

2

3

4

5

6

N

7

8

S

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

U2

U1 a

N

Figura 5.77. Representación de las conexiones de la fase U.

saber más

7. Utilizando los valores de la tabla de principios de fase, así como el paso de ranura, se procede a dibujar los devanados de las fases V y W de forma similar a cómo se ha hecho con el anterior.

N

S

1

2

U1 a

3

4

W2

5

6

V1

N

7

8

N

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

W1

Figura 5.78. Devanados completos.

05 Maquinas electricas.indd 201

S

La operación de inserción de bobinas en la armadura requiere paciencia y delicadeza, ya que un trabajo mal realizado puede dar lugar a errores de montaje y de aislamiento eléctrico.

U2

V2 a Figura 5.79. Inserción de bobinas en un estator (Cortesía de Pinellas Electric Motor Repair).

17/07/12 08:15

Unidad 5

202

saber más Las cuñas se deben utilizar para cerrar las ranuras y así evitar que las espiras de los devanados puedan salirse de ellas.

ejemplo A continuación se muestra el devanado del ejemplo anterior, pero ejecutado a doble capa.

Cálculo Datos principales B = K = 24

Bobinas totales del devanado

a Figura 5.80. Cuñas para cerrar ranuras.

B

U=

Número de bobinas por grupo

=

2pq

24 2 · 2 ·3

=2

Gf = 2p = 2 · 2 = 4

Grupos por fase

K

Yp =

Paso polar

24

=

2p

=6

2·2

YK = 6

Paso de ranura K

Y120 =

Paso de principios de fase

24

=

3p

=4

3·2

Diseño 1. El paso de ranura coincide con el paso polar, ya que en los devanados de doble capa no es necesario acortar.

2. Tomando los principios de la fase U se dibujan los grupos impares con un paso de ranura 6. Hay que tener en cuenta que en esta ocasión cada ranura aloja dos haces activos.

1er grupo

1

a

2

3

4

3er grupo

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

Figura 5.81. Representación de los grupos impares de la fase U.

3. Al ser un devanado de doble capa, los grupos pares se comienzan a dibujar a partir de la ranura a la que llega el haz activo de entrada de las primeras bobinas de los grupos ya representados.

4. Se realizan las conexiones de los grupos por polos y se establece un sentido de corriente para comprobar que la polaridad es correcta.

recuerda Para asegurar que el diseño es correcto es aconsejable comprobar la polaridad en los devanados de todas las fases.

N 1

05 Maquinas electricas.indd 202

2

U1 a

S 3

4

5

6

7

N 8

9

10

11

12

13

S 14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

U2

Figura 5.82. Conexiones entre grupos del devanado de la fase U.

17/07/12 08:15

Máquinas rotativas de corriente alterna

203

5. Siguiendo el mismo criterio de diseño, se dibujan los devanados de las otras dos fases.

N 1

S 2

3

U1 a

4

5

W2

6

7

V1

N 8

9

10

11

12

13

S 14

15

16

17

18

19

20

21

22

U2

W1

23

24

V2

Figura 5.83. Devanado completo de doble capa.

Devanados ondulados Un tercer tipo de devanado excéntrico es el denominado ondulado. De igual forma que los de tipo imbricado, todas las bobinas que lo forman son del mismo tamaño.

Este tipo de devanados se puede desarrollar a una o a doble capa, siendo más común la segunda opción que es la que aquí se va a mostrar.

Los grupos de una fase se conectan en serie para conseguir la polaridad adecuada.

Así, si se define que la conexión gráfica se puede hacer en avance (de izquierda a derecha) o en retroceso (de derecha a izquierda), se puede establecer la siguiente norma de diseño de este tipo de devanados: Los grupos impares de una misma fase se conectan entre sí en avance, y los pares en retroceso. La unión entre los grupos que avanzan y los que retroceden se hace mediante un puente de unión que enlaza la última bobina de los grupos impares con la primera de los grupos pares, para mantener así la polaridad en el devanado.

En la siguiente figura se muestra un ejemplo de lo explicado anteriormente. Las bobinas en avance se han representado en color verde y las en retroceso en color naranja. Aunque se representan en colores diferentes, cabe recordar que todas pertenecen al devanado de una misma fase. a

a

U1

Puente

recuerda Los pasos característicos de este tipo de devanados son: YK (paso de ranura), YC (Paso de conexión) e YT (paso total).

La relación entre ellos es: YT= YK+ YC

Yk 1

2

3

4

5

YC

6

7

Yt a Figura 5.84. Pasos de un devanado ondulado.

U1

U2

Figura 5.85. Ejemplo de las bobinas de una fase en un devanado ondulado.

Los devanados ondulados se pueden utilizar en estatores, aunque son especialmente recomendables para los rotores de máquinas asíncronas, ya que la distribución de las bobinas facilita su equilibrado. Además, el número de conexiones entre grupos disminuye considerablemente respecto a otros tipos de devanados, como los concéntricos o los imbricados.

El cálculo de los devanados ondulados se realiza con las mismas expresiones utilizadas para los imbricados de doble capa.

05 Maquinas electricas.indd 203

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Unidad 5

204

ejemplo A continuación se muestra un ejemplo de cálculo y representación de un devanado excéntrico ondulado. Los datos de partida son los siguientes: • Número de polos: 6 (3 pares de polos).

• Número de ranuras: K = 18.

• Número de fases: q = 3.

Cálculo Datos principales B = K = 18

Bobinas totales del devanado U=

Número de bobinas por grupo

B 2pq

18

=

2 · 3 ·3

=1

Gf = 2p = 2 · 3 = 6

Grupos por fase

Yp =

Paso polar

K 2p

=

18 2·3

=3

YK = YP = 3

Paso de ranura Y120 =

Paso de principios de fase

K 3p

=

18 3·3

=2

Diseño 1. Se construye la tabla de principios de fase sumando sucesivamente, en celdas contiguas, el resultado de la anterior más el valor de Y120:

recuerda El paso total YT se puede obtener calculando la diferencia entre el número de la ranura (de la tabla de principios) en la que comienza un grupo menos el número de la siguiente de la misma fase.

En nuestro ejemplo si se toman los dos principios de la fase U: 7 - 1 = 6.

V

W

1

3

5

7

9

11

13

15

17

La tabla indica las ranuras en las que comienzan los grupos en avance.

2. Se establecen colores para las fases y se definen los principios y finales de cada devanado como se ha hecho en ejemplos anteriores.

3. Como el paso polar es 3, también lo es el paso de ranura YK. Por tanto, se dibujan las bobinas en avance sabiendo por la tabla de principios que los grupos de esta fase deben comenzar en las ranuras 1, 7 y 13.

4. Se realizan las conexiones entre bobinas y se observa que el paso de conexión YC es 3.

1

a

05 Maquinas electricas.indd 204

U

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16 17 18

Figura 5.86. Representación de los grupos en avance de la fase U.

17/07/12 08:15

Máquinas rotativas de corriente alterna

205

5. Como se sabe que, en un devanado ondulado, una misma ranura en la que ya existe un haz activo de una bobina en avance, siempre está ocupada por otro haz activo de una bobina en retroceso, se dibujan los grupos restantes, que en este caso son 3.

1

a

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

Figura 5.87. Representación de los grupos en retroceso de la fase U.

6. Se realiza el puente para unir los tres grupos de bobinas en avance con los grupos de bobinas en retroceso. En este caso se encuentra entre las ranuras 13 y 16.

7. Se conectan entre sí los grupos en retroceso.

8. Se establecen los terminales de principio y fin del devanado de la fase U

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

Puente

U2

U1 a

Figura 5.88. Puente entre grupos de bobinas.

9. Siguiendo el mismo criterio, se representan los devanados de las fases V y W.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

Puente

W2 U1 a

V1

W1

U2

V2

Figura 5.89. Devanado ondulado completo.

10. Como en los otros ejemplos de diseño, es conveniente establecer un sentido de corriente para cada uno de los devanados, para así comprobar su correcta ejecución.

05 Maquinas electricas.indd 205

17/07/12 08:15

Unidad 5

206

ACTIVIDADES FINALES 1. Realiza la actividad propuesta en la práctica profesional 1 para comprobar el funcionamiento de un alternador.

2. Haz lo mismo con la actividad de la práctica profesional 2 para acoplar un alternador a la red eléctrica y hacer funcionar la máquina síncrona como motor.

3. Observa los esquemas de los siguientes devanados y responde las siguientes preguntas: a) ¿Cuántas fases y polos tienen? b) ¿Cuáles son los terminales que van a la caja de bornes? Etiquétalos. c) ¿Qué tipo de conexión se ha realizado? d) ¿Hay algún tipo de error en las conexiones o en la representación? Márcalos en las imágenes. e) ¿Cuántas bobinas por grupo hay?, ¿cuántas salen en el cálculo? f) ¿Cuáles son los principios de fase?

Devanado 1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Devanado 2

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Devanado 3

U2

05 Maquinas electricas.indd 206

W1

V2

W2

U1

V1

17/07/12 08:15

Máquinas rotativas de corriente alterna

207

4. A continuación se presentan distintos tipos de devanados, cada uno con unas características determinadas. Algunas consideraciones previas son las siguientes: • Realiza los cálculos y diseña el esquema utilizando colores diferentes para los devanados de cada una de las fases. Sigue el proceso de ejecución mostrado en la actividad de la práctica profesional número 2 para el montaje y ejecución de cada uno de los devanados propuestos.

• En estatores de motores con rotor de jaula de ardilla, monta al menos 4 de los devanados propuestos.

• De forma experimental puedes fabricar cada bobina con hilo esmaltado de 0,5 ó 0,6 mm con un número bajo de espiras (entre 10 y 20), aunque eso dependerá del tipo de máquina a utilizar. En lugar de alimentar el devanado del motor con la tensión nominal, utiliza un autotransformador regulable trifásico (Variac trifásico), aplicando progresivamente tensión al devanado desde 0 V hasta que el motor gire. Esto te permitirá comprobar de forma rápida varios tipos de devanados en el aula-taller. No obstante, debes recordar que esta técnica es completamente experimental y que un devanado real debe disponer del diámetro del conductor y del número adecuado de espiras.

Los devanados propuestos son: a) Devanados concéntricos trifásicos Devanado concéntrico trifásico de 2 polos para un estator de 24 ranuras.

Devanado concéntrico trifásico de 8 polos para un estator de 24 ranuras.

Devanado concéntrico trifásico de 2 polos para un estator de 36 ranuras.

Devanado concéntrico trifásico de 6 polos para un estator de 36 ranuras. b) Devanados concéntricos bifásicos Devanado concéntrico bifásico de 6 polos para un estator de 24 ranuras.

Devanado concéntrico bifásico de 2 polos para un estator de 32 ranuras. c) Devanados imbricados de 1 capa Devanado excéntrico imbricado de 1 capa trifásico de 4 polos para un estator de 24 ranuras.

Devanado excéntrico imbricado de 1 capa trifásico de 6 polos para un estator de 36 ranuras.

Devanado excéntrico imbricado de 1 capa trifásico de 10 polos para un estator de 60 ranuras. d) Devanados imbricados de doble capa Devanado excéntrico trifásico imbricado doble capa de 2 polos para un estator de 24 ranuras.

Devanado excéntrico trifásico imbricado doble capa de 4 polos para un estator de 24 ranuras.

Devanado excéntrico trifásico imbricado doble capa de 8 polos para un estator de 48 ranuras. e) Devanados ondulado Devanado excéntrico trifásico ondulado de 2 polos para un estator de 24 ranuras.

Devanado excéntrico trifásico ondulado de 4 polos para un estator de 24 ranuras.

entra en internet 5. Localiza aplicaciones en las que aún se utilizan las máquinas síncronas funcionado como motor. Nombra un par de ellas.

6. ¿En qué aplicaciones se están utilizando las máquinas asíncronas para generar energía?

05 Maquinas electricas.indd 207

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Unidad 5

208

PRÁCTICA PROFESIONAL 1 HERRAMIENTAS

puesta en marcha de un alternador

• Bancada y elementos de fijación y acoplamiento • Alternador trifásico de 4 polos

OBJETIVO

• Motor de arrastre y regulador de velocidad (según indicaciones dadas en la practica profesional)

Comprobar la frecuencia y el valor de la tensión de salida de un alternador al modificar la velocidad del sistema motriz y la corriente de excitación.

• Variac monofásico

PRECAUCIONES

• Puente rectificador

• No manipules el cableado cuando el sistema está en funcionamiento.

• Toma las medidas de seguridad oportunas para evitar el contacto con las partes móviles del sistema cuando el conjunto esté girando.

• Sigue las indicaciones y precauciones dadas por el fabricante para usar el tacómetro óptico.

Nota. Como motor de arrastre se puede utilizar un motor de CC Shunt con un reóstato para regular la tensión del inducido. También podría utilizarse un motor trifásico con rotor en cortocircuito con un variador comercial de velocidad. En cualquier caso, con ambos sistemas se obtendrían los mismos resultados.

• 3 bornes de raíl

MATERIAL • Tacómetro óptico portátil • Voltímetro de corriente alterna • Frecuencímetro • Amperímetro

DESARROLLO 1. Elabora un esquema del conjunto.

L1 N

Variador de velocidad

Instrumentos de prueba

F

V Variac

Bornes de prueba

Puente rectificador

Alternador

+ -

A

3 s

G

M

~ q

Motor de arrastre

Excitación

a Figura 5.90. Esquema de conexiones del conjunto.

2. Sobre una bancada de pruebas monta un alternador trifásico de 4 polos y acóplale al eje un motor de arrastre que pueda regularse en velocidad.

Acoplamiento mecánico

Alternador

U1

V1

W1

s

W2

U2

V2

q

Motor de arrastre

Bancada de pruebas a Figura 5.91. Máquina en bancada de pruebas.

05 Maquinas electricas.indd 208

17/07/12 08:16

Máquinas rotativas de corriente alterna

209

3. Conecta un voltímetro de corriente alterna y un frecuencímetro a los bornes de salida del alternador. Puedes utilizar cualquiera de las fases para ello. Más tarde conecta el devanado de excitación del alternador al puente rectificador través del Variac.

4. Conecta el sistema de variación de velocidad elegido para alimentar el motor de arrastre. Sobre el eje del motor de arrastre o del alternador, coloca la marca reflectante necesaria para efectuar la medida con el tacómetro óptico.

5. Alimenta el conjunto para poner en marcha el motor de arrastre. Con el tacómetro comprueba la velocidad de giro del motor y observa lo que marca el frecuencímetro. Según este esquema, modifica la velocidad de giro y anota los resultados en la tabla.

Marca reflectante

Tacómetro óptico

Hold

Power

Meter

a Figura 5.92. Detalle de uso del tacómetro para medir la velocidad de giro.

6. Con el motor en marcha a una velocidad fija, alimenta el devanado inductor hasta que el amperímetro muestre la corriente de excitación indicada en la placa de características.

7. Varía la corriente de excitación arriba y abajo y anota los resultados en la siguiente tabla.

Relación de frecuencia en función de velocidad de arrastre Velocidad de giro (rpm)

Frecuencia (Hz)

Relación de la tensión de salida en función de la corriente de excitación Corriente de exc. (A)

Tensión de salida (V)

200 500 750 1000 1500 2000

8. Desconecta el conjunto.

9. Conecta el voltímetro y el frecuencímetro entre dos fases diferentes y comprueba que se obtienen resultados similares a los anteriores.

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Unidad 5

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PRÁCTICA PROFESIONAL 2 HERRAMIENTAS • Todas las herramientas utilizadas en práctica profesional 1 de la Unidad 4 • Bobinadora manual y accesorios • Moldes para bobinadora • Útiles para la limpieza de ranuras • Soldador rápido

Bobinado del devanado del estator de una máquina de corriente alterna OBJETIVO

• Peladora de hilo esmaltado

MATERIAL • Estator de una máquina asíncrona • Cartón aislante para ranuras • Tubo flexible • Hilo esmaltado de bobinar • Alambre plano de atar • Cuerda de bramante o cinta de atar • Rotulador permanente • Estaño • 2 m de hilo rígido de línea

Conocer la técnica para el bobinado (o rebobinado) del devanado del estator de una máquina rotativa de corriente alterna.

PRECAUCIONES • Utiliza guantes en las operaciones de montaje y desmontaje de la máquina.

• Utiliza las herramientas y la bobinadora siguiendo las indicaciones de seguridad dictadas por tu profesor.

Nota 1. La siguiente práctica profesional se ha planteado desde el punto de vista del rebobinado de una máquina supuestamente averiada. En ningún caso desea realizar el cálculo del circuito eléctrico para una máquina nueva. De este modo, se supone que conocemos el diámetro de conductor y el número de espiras que hay que dar para la construcción de dichas bobinas.

Nota 2. Aquí se verá un proceso genérico de ejecución de un devanado trifásico que puede estar destinado tanto a un motor como a un alternador CA, y que podría servir para cualquiera de los tipos de devanados que se han mostrado como ejemplo en la unidad.

DESARROLLO 1. Desmonta la máquina siguiendo la técnica vista en la práctica profesional 1 de la Unidad 4. No olvides lo siguiente: a. Retirar las chavetas y cubrir el hueco con cinta aislante para evitar cortes. b. Marcar la posición de los escudos con un rotulador indeleble para que en el montaje no haya problemas de ajuste. c. Utilizar un extractor para retirar cojinetes, escudos, ventiladores y cualquier elemento del eje que sea necesario extraer para desmontar la máquina. d. Si la máquina es un alternador, ten en cuenta que antes de desmontar los escudos debes retirar las escobillas. e. Para que no se extravíen, guarda en una gaveta todos los elementos que vayas quitando.

a Figura 5.93. Motor desmontado.

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a Figura 5.94. Alternador desmontado.

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2. Toma el estator y retira de las ranuras cualquier resto del bobinado anterior utilizando útiles de limpieza, tales como rascadores, cepillos metálico o limas redondas de picado fino.

a Figura 5.95. Útiles de limpieza de ranuras.

a Figura 5.96. Detalle del proceso de limpieza.

Preparación del estator 3. Con una cinta métrica mide la longitud de una ranura del rotor. Debes dar aproximadamente 1 cm más de largo para luego hacer un par de dobleces en los extremos.

4. Corta una tira de cartón aislante de aproximadamente el perímetro interno de una ranura. Haz varias pruebas hasta conseguir el tamaño adecuado.

5. Toma las medidas y corta con la guillotina tantas tiras de cartón aislante como ranuras tenga la armadura.

6. Realiza un doblez de unos 5 mm en los extremos más estrechos de la tira aislante para reforzar los bordes de la ranura.

a Figura 5.97. Preparación de los aislantes de ranura.

7. Dobla cada una de las tiras longitudinalmente de forma que se adapte al interior de las ranuras y viste todo el rotor. Es importante realizar adecuadamente esta operación, ya que de ello depende el buen aislamiento eléctrico de la máquina.

a Figura 5.98. Aislamiento de las ranuras del estator.

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Unidad 5

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PRÁCTICA PROFESIONAL 2 (cont.)

Construcción de las bobinas 8. Utilizando un hilo rígido de 1 mm2 se toma medida del ancho de bobina en función del esquema del devanado.

Si es de tipo concéntrico, la medida a tomar debe ser la de la bobina más pequeña del grupo; si es excéntrico, la misma medida sirve para todas las bobinas del devanado. Debes tener en cuenta que la medida a tomar debe hacerse para que las espiras no queden demasiado justas, pero también para que las cabezas de los grupos no se salgan fuera de la carcasa de la máquina.

a Figura 5.99. Ejemplo de técnica para tomar la medida del tamaño de una bobina.

9. Coloca sobre la bobinadora los moldes (concéntricos o excéntricos) que sean necesarios para el devanado a ejecutar.

10. Inserta el hilo con la medida entre las dos piezas del molde y ábrelas hasta que se ajusten a él.

11. Sigue la técnica vista en la práctica profesional de la Unidad 2 para la construcción de bobinas mediante una bobinadora manual y moldes preformados.

a Figura 5.100. Apertura de los

a Figura 5.101. Ejemplo de construcción de bo-

a Figura 5.102. Ejemplo de grupo con-

moldes en la bobinadora para el tamaño de la bobina.

binas para un devanado concéntrico.

céntrico de tres bobinas.

12. Si el grupo tiene más de dos bobinas, ten la precaución de que la espira de paso de unas a otras esté del mismo lado.

13. Construye todas las bobinas con el mismo número de espiras.

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14. Antes de sacarlas de molde, ata las espiras con la cuerda de bramante con la cinta de atar para evitar que se desmonten cuando estén fuera de él.

15. Construye todos los grupos de bobinas que requiere el devanado.

Ejecución del devanado 16. Con un rotulador indeleble marca en el estator la ranura que servirá como referencia. Ranura número 1. Es importante llevar un cómputo correcto de la ranura de referencia, así no cometeremos errores en el proceso.

17. Comienza la ejecución del devanado siguiendo el esquema de derecha a izquierda.

18. Inserta un grupo de bobinas en el hueco del estator teniendo la precaución de que sus terminales estén por el lado en el que la carcasa tiene el hueco para realizar las conexiones en la caja de bornes.

19. Aplasta el haz de la bobina de forma que la puedas insertar hilo a hilo en el interior de la ranura.

Hueco para pasar los terminales del devanado a la caja de bornes

Terminales de las bobinas

a Figura 5.103. Inserción y colocación de las bobinas en

a Figura 5.104. Detalle de la colocación de los hilos

el interior del estator.

para su mejor inserción.

20. Ten la precaución de que ninguno de los hilos quede por detrás del aislante de ranura.

21. Inserta todo el grupo con el paso de ranura mostrado en el esquema.

22. Ten la precaución de no haber girado ninguna de las bobinas del grupo y de que todas ellas se han insertado siguiendo el mismo sentido del hilo.

Mal Espira de unión entre bobinas del mismo grupo a Figura 5.105. Inserción correcta de bobinas.

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a Figura 5.106. Inserción incorrecta de bobinas.

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PRÁCTICA PROFESIONAL 2 (cont.)

Concreción en un devanado de tipo concéntrico 23. Si el devanado es de tipo concéntrico como el mostrado a continuación, se deben insertar los grupos en el orden indicado. Cierra cada ranura con una cuña de dimensiones adecuadas para evitar que las espiras salgan al exterior. Debe tenerse en cuenta que las bobinas que se encuentran en las ranuras 1 y 2 deben levantarse para poder peinar el devanado.

1

1

2

3

4

2

5

W2

U1

6

7

8

3

4

5

6

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

V1

U2

W1

a Figura 5.107. Ejemplo de un devanado concéntrico trifásico

V2

de 24 ranuras 4 polos.

24. Para insertar el último grupo (el número 6), que es el que cierra el devanado, es necesario levantar los lados activos de las ranuras 1 y 2 pertenecientes al primer grupo y superponerlos sobre los dos del último.

1

Se cierra el devanado

Se sacan los dos primeros haces del grupo 1

2 Meter

6

Meter

Sacar

3

5

4

a Figura 5.108. Proceso de ejecución del bobinado de tipo concéntrico.

Concreción en un devanado de tipo excéntrico 25. Si el devanado es de tipo imbricado de una capa, el procedimiento para cerrar el devanado es similar al de tipo concéntrico. En este caso se deben ir introduciendo sucesivamente las bobinas que empiecen en ranuras impares.

1

2

U1

3

4

W2

5

6

V1

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

W1

U2

V2

a Figura 5.109. Devanado imbricado de una capa trifásico de 24 ranuras y 4 polos.

26. Al llegar a las dos últimas bobinas, se dejan sin meter en las ranuras los haces de entrada. Se deben levantar las bobinas que ocupan las ranuras 2 y 3 e insertar los haces de las ranuras 2 y 4.

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27. Una vez hecho esto, se vuelven a colocar las bobinas iniciales, de este modo el devanado queda completamente cerrado.

Meter

Meter

Levantar

a Figura 5.110. Ejecución del devanado imbricado de una capa.

Conexión de los grupos 28. Siguiendo el esquema del devanado, y utilizando la técnica de soldadura vista en la práctica profesional 2 de la Unidad 4, realiza las conexiones entre los grupos de los diferentes devanados. Luego etiqueta con cinta adhesiva blanca cada uno de los terminales del devanado.

W2

U1

W2

U1

V1

V1

V2 V2

3

5 7

1

U2

23 21

11

Unión 15-21

Unión 7-13 U2

13 17

3

5

23

9

19

1

W1

9

20

10

do concéntrico.

Unión 6-12 Unión 7-13

11

19 17

a Figura 5.111. Conexiones de devana-

W1

7

21

15

Unión 11-17

6

16 15 14

13

12

Unión 10-16

Unión 15-21 Unión 14-20

Unión 11-17

a Figura 5.112. Conexiones de devanado

imbricado de una capa.

29. Conecta cada una de las terminaciones del devanado a sus bornes correspondientes de la caja de bornes. Aislar con tubo flexible el conductor en todo su recorrido y llevarlo por el contorno del devanado para que no estorbe al rotor. No olvides retirar el esmalte de hilo para realizar las conexiones en los bornes. Finalmente, cose fuertemente con cinta o cuerda de bramante todo el devanado.

a Figura 5.113. Ejecución del deva-

a Figura 5.114. Encintado del con-

a Figura 5.115. Devanado montado y

nado.

junto.

barnizado.

30. A falta de barnizar el conjunto, el devanado se puede considerar finalizado. Antes de pasar a su montaje final y puesta en marcha, se deben realizar las comprobaciones indicadas en la práctica profesional 4 de esta unidad.

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Unidad 5

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PRÁCTICA PROFESIONAL 3 HERRAMIENTAS • Herramientas de electricista • Bobinadora manual y todos sus accesorios

Bobinado del inductor de un alternador

• Devanador, micrómetro y polímetro • Rotor de alternador de 4 polos • Soldador y peladora de hilo esmaltado • Cepillos, rascadores, limas redondas de picado fino, etc.

• Guillotina de cartón

MATERIAL • Rotulador permanente y cartón aislante • Cuñas rígidas para cierre de ranuras • Hilo esmaltado de bobinar • Alambre plano de atar • Estaño • Cinta de carrocero de 2 cm da ancho • Cuerda, cinta o bridas de correderas

OBJETIVO • Conocer la técnica para el bobinado (o rebobinado) del devanado inductor de un alternador.

PRECAUCIONES • En las operaciones de limpieza de ranuras debes evitar dañar la chapa magnética del interior.

• Utiliza las herramientas y la bobinadora siguiendo las indicaciones de seguridad dictadas por tu profesor.

Nota. La siguiente práctica profesional se ha planteado desde el punto de vista del rebobinado de una máquina supuestamente averiada. En ningún caso se desea realizar el cálculo del circuito eléctrico del inductor para una máquina nueva.

Se presupone que el diámetro de conductor y el número de espiras que hay que utilizar para la construcción son datos conocidos.

DESARROLLO Preparación del rotor 1. Para preparar el rotor sigue los pasos vistos en la práctica profesional 3 de la Unidad 4. Según lo estudiado en dicha unidad, debes recordar lo siguiente: a. Eliminar, utilizando los utensilios de limpieza, cualquier rastro del antiguo devanado y de sus aislantes. Para ello es aconsejable que fijes el rotor en un soporte adecuado. b. Coloca los aislantes en cada una de las ranuras. Comprueba, también, con un polímetro que no existe continuidad entre los dos anillos, y entre estos y cualquier elemento metálico del tambor y del eje del rotor. Finalmente, cubre con cartón aislante la parte del eje sobre la que se van a apoyar las cabezas del devanado.

TTL

400 mA MAX

1000 V 750 V 500 V MAX

Aislante flexible

Aislante flexible

a Figura 5.116. Comprobación del aislamiento.

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a Figura 5.117. Aislamiento de ranuras.

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Bobinado del rotor 2. Diseñar el esquema del devanado sabiendo que es un inductor de 4 polos, cuyo tambor dispone de 4 dientes lisos y que por cada grupo requiere dos bobinas. Hay que tener en cuenta que para este tipo de rotor es necesario ejecutar un devanado de tipo concentrado, es decir, cada grupo de bobinas formará un polo por cada uno de los dientes lisos que tiene el tambor. Como para cada polo se dispone de cuatro ranuras, se ha de diseñar un devanado formado por cuatro grupos de dos bobinas cada uno, cuya conexión es la mostrada en el siguiente esquema:

1

2

S

3

4

5

6

N

7

8

9 10

s

S

11 12 13 14

N

15 16

q

a Figura 5.118. Esquema del devanado inductor para un alternador de 4 polos.

3. Toma la medida de la bobina más pequeña de cada grupo.

Hilo rígido de 1 mm2

a Figura 5.119. Toma la medida de la bobina más pequeña del grupo.

4. Saca el hilo y colócalo en los moldes en la bobinadora como ya se ha visto anteriormente. Construye los cuatro grupos de bobinas concéntricas e insértalos en sus ranuras correspondientes. Ten en cuenta que cada grupo debe tener en el centro de sus bobinas el diente liso de su correspondiente polo y, además, que los terminales de las bobinas deben quedar por el lado de los anillos. Finalmente, cierra las ranuras con cuñas para evitar que el hilo salga al exterior.

Grupo de bobinas

Diente liso del polo

Cuñas para el cierre de ranuras a Figura 5.120. Inserción de un grupo de bobinas.

5. Completa el devanado de la armadura. Después realiza la conexión entre los grupos según el esquema. Utiliza la técnica de soldadura y cubre las uniones con tubo flexible de fibra de vidrio.

6. Conecta los dos hilos de los extremos del devanado a los bornes de los anillos. Utilizando cuerda o cinta de algodón, ata las cabezas de las bobinas. En esta ocasión, y siempre que no moleste al giro del rotor, puedes utilizar bridas de corredera para realizar esta función.

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MUNDO TÉCNICO variación de velocidad en motores de inducción La regulación de velocidad en máquinas eléctricas rotativas siempre ha sido una necesidad industrial. Hasta los años 60 del siglo xx, para conseguir sistemas regulables eficientes se recurría a motores de corriente continua cuya velocidad se regulaba mediante voluminosos reóstatos, que eran mayores cuanto mayor lo era también la potencia de las máquinas. El desarrollo de la electrónica de potencia, basada en rectificadores de silicio controlados, sustituyó dichos reóstatos por sistemas mucho menos aparatosos y operativos. No obstante, las máquinas de corriente continua tiene el hándicap de disponer de un sistema de conmutación (el colector y las escobillas) que es necesario mantener de forma continuada.

Desde el punto de vista del mantenimiento, los motores de corriente alterna con rotor en cortocircuito presentan numerosas ventajas respecto a los de corriente continua. Sin embargo, como el control de velocidad depende directamente de la frecuencia de la red de alimentación y del número de pares de polos de la máquina, no es posible ejecutar esta operación de forma tan inmediata como en los motores de CC. Una de las primeras soluciones que se dio a este problema consistió en diseñar el devanado de la máquina de tal forma que fuera posible cambiar el número de polos permutando la conexión en su caja de bornes.

Este tipo de motores, denominados Dahlander, disponían de dos o tres posibles velocidades y requería un complejo sistema de arranque basado en contactores y relés. Si bien algunos fabricantes de motores aún disponen de este tipo de máquinas en sus catálogos, en la actualidad la tendencia es a su desaparición.

Parece claro que la mejor forma de regular la velocidad de un motor de corriente alterna es actuando sobre la frecuencia de la red de alimentación. No obstante, esto no ha sido posible hasta que no se han desarrollado (y abaratado) los sistemas de electrónica de potencia. La evolución de los variadores de frecuencia ha permitido, desde el punto de vista del técnico instalador, que la regulación de la velocidad en un motor de corriente alterna sea una tarea enormemente sencilla.

Así, en la actualidad el variador de velocidad posiblemente sea uno de los dispositivos más utilizados en la industria, no solo por su principal función, la de regulación de velocidad, sino porque permiten que los motores arranquen de forma progresiva sin necesidad de utilizar otros sistemas como el estrella-triángulo o el autotransformador. Además, facilitan la ejecución de maniobras, como pueden ser la inversión del sentido de giro o el frenado por inyección de corriente continua, sin recurrir a circuitos externos de relés o de contactores.

a Figura 4.121. Variador de velocidad para un motor de inducción.

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Máquinas rotativas de corriente alterna

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EN RESUMEN MÁqUINAS DE CORRIENTE ALTERNA (CA)

Principio de funcionamiento

Clasificación de las máquinas CA

Frecuencia

Máquinas sincronas

Máquinas asíncronas

Ángulo eléctrico

Sistema de fases

Generador (Alternador)

Campo magnético giratorio

Motor

Generador

Circuito magnético

Motor

Circuito eléctrico

Excéntricos

Concéntricos

Tipos de devanado

EVALÚA TUS CONOCIMIENTOS 1. El inductor del alternador está en:

5. Un motor de rotor bobinado dispone de:

a. el estator.

c. No tiene.

a. 3 anillos en el rotor.

b. el rotor.

d. en un devanado tipo jaula.

b. 2 anillos en el rotor.

2. Una máquina síncrona puede llegar a la velocidad de sincronismo. a. Verdadero.

b. Falso.

3. Los motores de corriente alterna basan su funcionamiento en el denominado: 4. La velocidad de un motor de corriente alterna depende de:

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Resuelve en tu cuaderno o bloc de notas

c. un devanado tipo jaula en el rotor.

6. Los devanados imbricados: a. son de tipo concéntrico. b. tienen todas las bobinas iguales. c. solamente se utilizan en alternadores.

7. ¿En qué tipo de devanado se realiza la conexión por polos consecuentes?

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