VOLUMEN 1
PRIMERA EDICION
DICIEMBRE 2014
Contenido MAQUINAS NEUMÁTICAS ............................. 3 Neumática ..................................................... 3
CRÉDITOS EDITOR: Marlon F. Cox
A. Características de los fluidos: El aire ........ 3 1. Unidades de presión ............................. 3 B. Elementos básicos de un sistema neumático 3 1. Elementos activos ................................. 3 Implicadas dos magnitudes: ................. 3
COLABORADORES: Adolfo Acosta
Existen dos grandes tipos de compresores3 2. Elementos pasivos................................. 3 MAQUINA HIDRÁULICA................................. 5
Ing. Narciso Beyrut Ruiz (Universidad Veracruzana, México)
Clasificación de las máquinas hidráulicas . 5 Bombas centrífugas .................................. 6 Los tipos de bombas centrifugas: ......... 6 Características de la Bombas Centrifugas 6 Bombas rotatorias................................. 7 Bombas reciprocantes .............................. 7 Tipo de bombas reciprocantes ................. 7
Marlon F. Cox Diseño y diagramación Marlon F. Cox Portada
Limitación de la altura se succión de una bomba centrifuga .................................................. 8 Cavitación.................................................. 9 Motores para bombas .............................. 9 Aplicaciones de las máquinas hidráulicas . 9 Calculo de la potencia requerida por una bomba
9
MAQUINAS ELECTRICAS ................................ 9 1. MAQUINAS ROTANTES.............................. 9 2.1 GENERALIDADES. ................................ 9 2.2 PARAMETROS NOMINALES. .............. 10 2.2.1 Potencia nominal ....................... 10 2.2.2 Momento de inercia .................. 10 2.2.3 Constante de tiempo térmica equivalente
10
Neumática a neumática es la técnica que se dedica al estudio y aplicación del aire comprimido. En la actualidad, en la automatización de los distintos campos de fabricación, así como en los procesos de ensamblado y empaquetado de productos, es común la utilización de esta técnica para llevar a cabo estos procesos. A. Características de los fluidos: El aire El aire comprimido que se emplea en la industria procede del exterior. Se comprime hasta una presión de unos 6 bares, con respecto a la presión atmosférica, y se denomina presión relativa. El aire va a contener polvo, óxidos, azufre,… que hay que eliminar previamente. Presión absoluta = Presión atmosférica + Presión relativa 1. Unidades de presión La unidad de presión en el sistema internacional es el Pascal (P) 2 1 P = 1 N/m Otras unidades son: El bar: 1 bar = 105 2 = 1 kp/cm recuerda que 1 kp (kilopondio) = 9,8 N La atmósfera (atm): 1 atm = 1’013 bar mm de mercurio (mm Hg): 1 atm = 750 mm Hg B. Elementos básicos de un sistema neumático 1. Elementos activos Son aquellos que comunican energía al fluido. La energía externa que se comunica al elemento activo es principalmente eléctrica o térmica. - Compresores Son máquinas destinadas a elevar la presión del aire que aspiran de la atmósfera. Se deben instalar en un lugar fresco y exento de polvo. En el funcionamiento de un compresor aparecen Implicadas dos magnitudes: - La presión que se comunica al aire.
L
- El caudal que es capaz de proporcionar. El caudal es el volumen de fluido que pasa por una sección en la unidad 3 de tiempo. Se puede medir en l/s, l/h o m /s Existen dos grandes tipos de compresores - Volumétricos - Dinámicos Los compresores volumétricos elevan la presión de un gas reduciendo el volumen en el que están contenidos. Estos compresores pueden ser: - alternativos: basados en un mecanismo bielamanivela combinado con pistones y cilindros. - Rotativos: en los que mediante una rueda de paletas se empuja el aire hacia una cámara. - Refrigerador Cuando el aire que se ha comprimido alcanza una temperatura bastante alta, es necesario refrigerarlo hasta una temperatura ambiente, a la vez que se extrae el agua que contiene el aire. 2. Elementos pasivos Son los elementos que consumen energía, la transportan, administran o controlan. - Acumulador Depósito que se coloca a continuación del refrigerador. Su objetivo es almacenar aire comprimido para suministrarlo en los momentos de mayor consumo, además garantiza un caudal constante. Generalmente el acumulador lleva un sensor de presión, que activará el compresor cuando la presión disminuya hasta un cierto límite y que lo desconectará cuando la presión aumente. - Elementos de protección: filtro, lubricador, regulador de presión y silenciador. Filtro Elimina el agua que todavía pueda quedar en el aire y las partículas o impurezas que estén en suspensión Lubricador
Inyecta unas gotas de aceite de tamaño muy fino dentro del flujo de aire. Tiene como finalidad evitar que el aire produzca un desgaste excesivo de los elementos del circuito. Regulador o limitador de presión Se encarga de que la compresión en el circuito se mantenga por debajo de un cierto límite y a presión constante. Dispone de una válvula de escape que libera aire cuando la presión aumenta. Silenciador Reduce el ruido cuando se expulsa aire a la atmósfera. - Elementos de transporte Son los encargados de llevar el fluido en los circuitos hasta los puntos de consumo. Son las tuberías. El material debe ser lo suficientemente resistente como para soportar la presión del aire en su interior. Además debe presentar una superficie lisa en su interior. - Elementos de regulación y control La presión y el caudal del aire comprimido, que se va a utilizar para el movimiento de las partes operativas o motrices del sistema neumático, va a estar controlado mediante distintos tipos de válvulas. Las válvulas se clasifican como: - Válvulas de dirección del flujo: Seleccionan hacia donde se dirige el flujo. - Válvulas anti retorno: permiten la circulación del aire en un sentido único, quedando bloqueado su paso en sentido contrario. - Válvulas de regulación de presión y caudal: regulan y estabilizan la presión y caudal del flujo. Válvulas de dirección Las válvulas de dirección se definen según dos características: - El número de vías u orificios que tenga la válvula, tanto de entrada de aire como de
salida. - El número de posiciones: que normalmente son dos. Una define el estado de reposo y otra el estado de trabajo. Sin embargo existen válvulas con más de dos posiciones. En definitiva, la identificación de una válvula de dirección se define con dos cifras: - La primera indica el número de vías. - La segunda indica el número de posiciones.Ejemplo: Una válvula 2/2 significa que tiene dos vías y dos posiciones. (Ver fotocopias) Válvula 2x2 Son válvulas normalmente cerradas en su posición de reposo.
Válvula 3x2 Es una válvula normalmente cerrada en posición de reposo. Se emplean para el mando de cilindros de simple efecto. Válvulas 4x2 Realiza las mismas funciones que dos válvulas 3x2 combinadas. Con esta válvula de este tipo podemos comandar un cilindro de doble efecto. Válvulas 5x2 Con esta válvula se puede comandar un cilindro de doble efecto. Válvulas anti retorno Tienen la misión de impedir el paso del aire en un sentido y dejar pasar el mismo en sentido opuesto. La obturación del paso puede lograrse con una bola impulsada por la propia presión de trabajo. Válvulas selectoras Estas válvulas permiten la circulación de aire desde dos entradas opuestas a una salida común. Esta válvula se utiliza para mandar una señal desde dos puntos distintos. En la figura se puede comprobar que el aire entra por el
conducto (Y) y desplaza a la bola hacia (X), bloquea esta salida y se va a través de la utilización (A). En el caso de que se dé la entrada de aire por la vía (X), la bola se desplazará boqueando la vía (Y) y el aire circulará hacia la utilización (A)Válvulas de simultaneidad Se utilizan cuando se necesitan dos o más condiciones para que una señal sea efectiva. En la figura se observa que toda señal procedente de (X) o de (Y) bloquea ella misma su circulación hacia la utilización (A). Sólo cuando están presentes las dos señales (X) e (Y) se tiene salida por (A). Válvulas reguladoras de caudal A veces es necesario el control de la velocidad de un cilindro para sincronizarlo con otros movimientos que se verifican en un sistema. Para conseguirlo se controla el caudal de fluido mediante las válvulas reguladoras de caudal. Existen dos tipos de reguladores: de un solo sentido (unidireccional) y de dos sentidos. De ellos, el primero tiene mayor interés y es el más utilizado. Cilindros neumáticos La energía del aire comprimido se transforma por medio de cilindros en un movimiento lineal de vaivén. Disponen de un tubo cilíndrico cerrado, dentro del cual hay un émbolo que se desplaza fijo a un vástago que lo atraviesa.Cilindro de simple efecto Es aquel que realiza un trabajo en un solo sentido. La presión desplaza al émbolo o pistón que retrocede por una fuerza externa o un muelle. Cilindro de doble efecto Es aquel que puede realizar trabajo en ambos sentidos. En este caso, el émbolo o pistón delimita ambas cámaras independientes.
El avance o retroceso del pistón, y por tanto del vástago, se produce por la presión que ejerce el aire en cualquiera de las dos caras del pistón. Para que el pistón se pueda mover, es necesario que entre aire a una de las cámaras y que, por la otra, salga a la atmósfera. MAQUINA HIDRÁULICA Una maquina hidráulica es un transformador de energía, esto es, recibe energía mecánica que puede proceder de un motor eléctrico, térmico, etc., y la convierte en energía que un fluido adquiere en forma de presión, de posición, o de velocidad. Otra definición puede ser: máquina hidráulica (bomba), es un dispositivo empleado para elevar, transferir o comprimir líquidos y gases. En todas ellas se toman medidas para evitar la cavitación (formación de un vacío), que reduciría el flujo y dañaría la estructura de la bomba Para una mayor claridad, buscando una analogía con las maquinas eléctricas, y por el caso especificó del agua, una bomba seria un generador hidráulico. Es conveniente no confundirse con la función que realiza una turbina, ya que la turbina realiza una función inversa al de una bomba, esto es, transforma energía de un fluido en energía mecánica. Clasificación de las máquinas hidráulicas
Las bombas o maquinas hidráulicas se clasifican según dos consideraciones generales diferentes: Las que toman en consideración características de movimiento de líquidos y La que se basa en el tipo o aplicación especifica para los cuales se ha diseñado la bomba. El uso de estos dos métodos de clasificación de bombas puede despertar gran interés en una gran cantidad de aplicaciones. A continuación se muestra una clasificación de los diversos tipos de bombas que puede ser útil para tener una idea más clara de las clases y tipos de estas. Clase Centrifuga
Tipo Voluta
Reciprocante
Difusor Turbina regenerativa Turbina vertical Flujo mixto Flujo axial
Acción directa Potencia Diafragma Rotatoria – Pistón
Bombas centrífugas Las bombas centrífugas, también denominadas rotativas, tienen un rotor de paletas giratorio sumergido en el líquido. El líquido entra en la bomba cerca del eje del rotor, y las paletas lo arrastran hacia sus extremos a alta presión. El rotor también proporciona al líquido una velocidad relativamente alta que puede transformarse en presión en una parte estacionaria de la bomba, conocida como difusor. En bombas de alta presión pueden emplearse varios rotores en serie, y los difusores posteriores a cada rotor pueden contener aletas de guía para reducir poco a poco la velocidad del líquido. En las bombas de baja presión, el difusor suele ser un canal en espiral cuya superficie transversal aumenta de forma gradual para reducir la velocidad. El rotor debe ser cebado antes de empezar a funcionar, es decir, debe estar rodeado de líquido cuando se arranca la bomba. Esto puede lograrse colocando una válvula de retención en el conducto de succión, que mantiene el líquido en la bomba cuando el rotor no gira. Si esta válvula pierde, puede ser necesario cebar la bomba introduciendo líquido desde una fuente externa, como el depósito de salida. Por lo general, las bombas centrífugas tienen una válvula en el conducto de salida para controlar el flujo y la presión. En el caso de flujos bajos y altas presiones, la acción del rotor es en gran medida radial. En flujos más elevados y presiones de salida
menores, la dirección de flujo en el interior de la bomba es más paralela al eje del rotor (flujo axial). En ese caso, el rotor actúa como una hélice. La transición de un tipo de condiciones a otro es gradual, y cuando las condiciones son intermedias se habla de flujo mixto. Los tipos de bombas centrifugas: Volute Diffuser Regenerative-turbine Vertical-turbine mixed-flow axial-flow (propeller) Estos seis tipos de bombas centrifugas, pueden ser Single-stage o multi-stage. Características de la Bombas Centrifugas La figura muestra la sección axial de un compresor centrífugo de tres escalonamientos de presión, con las denominaciones de los diferentes elementos de que está constituida la máquina.
A Cubierta inferior B Cubierta superior C Tapa del cojinete D Mitad inferior del cojinete E Mitad superior del cojinete F Tapa del agujero de engrase G Anillo de engrase H Anillo de retención de aceite I Rodete J Tuerca del rodete K Árbol L Manguito del árbol M Tapa del prensaestopas (mitad) N Pernos del prensaestopas O Aros de cierre de la cubierta
P Aros de cierre del rodete Q Anillo linterna R Platos de acoplamiento S Collar de empuje R Pernos y tuercas del acoplamiento U Bujes del acoplamiento V Extremo de la caja prensaestopas Bombas rotatorias
En resumen una bomba rotatoria, es una máquina de desplazamiento positivo, dotada de movimiento rotativo. Estas bombas se clasifican en dos grupos: Según el órgano desplazador Máquinas de Émbolos Máquinas de engranajes Máquinas de paletas Según la variedad del Caudal Máquinas de desplazamiento fijo Máquinas de desplazamiento variable Tipos de bombas rotatorias Bomba de leva y pistón Bomba de engranajes exteriores Bomba de dos lóbulos Bomba de tres lóbulos Bomba de cuatro lóbulos Bomba de tornillo simple Bomba de doble tornillo Bomba de triple tornillo Bomba de paletas oscilantes Bomba de paletas deslizantes Bomba de bloque deslizante Bombas reciprocantes Las bombas están formadas por un pistón que oscila en un cilindro dotado de válvulas para regular el flujo de líquido hacia el cilindro y desde él. Estas bombas pueden ser de acción simple o de acción doble. En una bomba de acción simple el bombeo sólo se produce en un lado del pistón, como en una bomba impelente común, en la que el pistón se mueve arriba y abajo manualmente. En una bomba de doble acción, el bombeo se produce en ambos lados del pistón, como por ejemplo en las bombas eléctricas o de vapor para alimentación de calderas, empleadas para enviar agua a alta presión a una caldera de vapor de agua. Estas bombas pueden tener una o varias etapas. Las bombas alternativas de etapas
múltiples tienen varios cilindros colocados en serie. Las bombas reciprocantes son unidades de desplazamiento positivo descargan una cantidad definida de líquido durante el movimiento del pistón o embolo a través de la distancia de carrera. Sin embargo, no todo el líquido llega necesariamente al tubo de descarga debido a escapes o arreglo de pasos de alivio que puedan evitarlo. Despreciando estos, el volumen del líquido desplazado en una carrera del pistón o embolo es igual al producto del área del pistón por la longitud de la carrera. Tipo de bombas reciprocantes Existen básicamente dos tipos de bombas reciprocantes; las de acción directa, movidas por vapor y las bombas de potencia. Pero existen muchas modificaciones de los diseños básicos, construidas para servicios específicos en diferentes campos. Algunas se clasifican como bombas rotatorias por los fabricantes, aunque en realidad utilizan un movimiento reciprocantes de pistones o émbolos para asegurar la acción de bombeo. Bombas de acción directa. En este tipo, una varilla común de pistón conecta un pistón de vapor y uno de líquido o embolo. Las bombas de acción directa se construyen, simples (un pistón de vapor y un pistón de liquido, respectivamente), y duplex (dos pistones de vapor y dos de liquido). Las bombas de acción directa horizontales simples y duplex, han sido por mucho tiempo apreciadas para diferentes servicios, incluyendo la alimentación de calderas en presiones de bajas y medianas, manejo de lodos, bombeo de aceite y agua, y muchos otros. Se caracterizan por la facilidad de ajuste a la columna, velocidad y capacidad, tiene una buena eficiencia a lo largo de una extensa región de capacidades. Las bombas de embolo, se usan para presiones mas altas que los tipos de pistón. Al igual que todas las bombas reciprocantes, las unidades de acción directa tienen un flujo de descarga pulsante. Bombas de potencia. Estas tienen un cigüeñal movido por una fuente externa, generalmente un
motor eléctrico-, banda o cadena. Usualmente se usan engranes entre el motor y el cigüeñal para reducir la velocidad de salida del elemento motor. Cuando se mueve a velocidad constante, las bombas de potencia proporcionan un gasto casi constante para una amplia variación de la columna, y tiene buena eficiencia. El extremo líquido, que puede ser del tipo de pistón o embolo, desarrolla una presión elevada cuando se cierra la válvula de descarga. Por esta razón, es práctica común el proporcionar una válvula de alivio para la descarga, con objeto de proteger la bomba y su tubería. Las bombas de acción directa, se detienen cuando la fuerza total en el pistón del agua iguala a la del pistón de vapor; las bombas de patencia desarrollan una presión muy elevada antes de detenerse. Las bombas de potencia se encuentran particularmente bien adaptadas para servicios de alta presión y tiene algunos usos en la alimentación de calderas, bombeo en líneas de tuberías, proceso de petróleos y aplicaciones similares. Las bombas de potencia de alta presión son generalmente verticales pero también se constituyen unidades horizontales. Bombas de tipo potencia de baja capacidad. Estas unidades se conocen también como bombas de capacidad variable, volumen controlado y de ;proporción ;. Su uso principal es para controlar el flujo de pequeñas cantidades de líquido para alimentar calderas, equipos de proceso y unidades similares. La capacidad de estas bombas depende de la longitud de carrera, esta usa un diafragma para bombear el liquido que se maneja, pero el diafragma esta accionado por un embolo que desplaza aceite dentro de la cámara de la bomba. Cambiando la longitud de la carrera del embolo se varia el desplazamiento del diafragma. Bombas de tipo diafragma. La bomba combinada de diafragma y pistón generalmente se usa solo para capacidades pequeñas. Las bombas de diafragma se usan para gastos elevados de líquidos ya sean claros o conteniendo sólidos.
También son apropiados para pulpas gruesas, drenajes, lodos, soluciones ácidas y alcalinas, así como mezclas de agua con sólido que puedan ocasionar erosión. Un diafragma de material flexible no metálico, puede soportar mejor la acción erosiva y corrosiva de las partes metálicas de las bombas reciprocantes. La bomba de roció de diafragma de alta velocidad y pequeño desplazamiento esta provista de una solución de tipo discoidal y válvulas de descarga. Ha sido diseñada para manejar productos químicos. Limitación de la altura se succión de una bomba centrifuga Entre los factores más importantes que afectan la buena operación o funcionamiento de una bomba centrífuga, están las condiciones existentes en la succión. Alturas de succión exageradas, por regla general, reduce la capacidad de funcionamiento y la eficiencia de la bomba centrífuga y puede originar serio problemas o dificultades debido a la presencia del fenómeno de cavitación. Por mucho tiempo se considero y se sigue considerando que 4.6 metros al nivel del mar, manejando agua limpia a 15.6º c es la altura máxima de succión conveniente para un buen funcionamiento de la bomba centrífuga, sin embargo en la actualidad se dice que una bomba centrífuga es capaz de trabajar correctamente con alturas de succión mayores a 4.6 metros si tales alturas han sido fijadas convenientemente. Por el hecho de considerar de tanta importancia los límites de succión es porque los fabricantes de bombas centrífugas construyen curvas límites de altura de succión para cada bomba en particular, deduciendo estas en forma experimental. La razón para tanto interés en limitar la altura de succión es la influencia tan decisiva que tiene esta, tanto en el gasto elevado como en la eficiencia de la bomba, tal como se ha comprobado por la experiencia y cuyos resultados han sido consignados en la siguiente tabla. Altura de succión
Gasto ( Lts / segundo )
Eficiencia mecánica (%)
44.3
77
5.5
43.2
76
6.4
33.1
66
73
24.3
65
8.25
15.8
49
Estos datos nos indican, sin lugar a duda, la gran reducción tanto en el gasto como en la eficiencia mecánica que da una bomba centrífuga a medida de que se aumenta la altura de succión y enfatiza la necesidad de tener la altura de succión correcta, si se desea obtener el gasto necesario y la mayor eficiencia posible. Pero no solo la eficiencia de la bomba se ve afectada, si ni también la estructura física de la bomba se ve perjudicada debido a la cavitación. Cavitación Es el fenómeno provocado cuando el liquido bombeado se vaporiza dentro del tubo de succión o de la bomba misma, debido a que la presión de ella se reduce hasta ser menor que la presión absoluta de saturación del vapor de liquido a la temperatura de bombeo. Motores para bombas
Probablemente se han usado en las bombas toda clase de motores y fuentes de potencia, con algún tipo de transmisión de potencia, cuando es necesario. Una bomba pude ser accionada por: Motores eléctricos. Turbinas de vapor. Turbinas de gas. Turbinas hidráulicas. Turbinas de expansión de gas. Motores de gasolina. Motores de diesel. Motores de gas. Motores de aire. Los medios para la transmisión de potencia del motor a la bomba incluyen coples flexibles, engranes, bandas planas o V, cadenas, así como acoplamientos hidráulicos y magnéticos o engranes. Aplicaciones de las máquinas hidráulicas Las bombas de desplazamiento positivo o reciprocantes son aplicables para:
Gastos pequeños Presiones altas Líquidos limpios. Las rotatorias para: Gastos pequeños y medianos Presiones altas Líquidos viscosos. Bombas de tipo centrífugo Gastos grandes Presiones reducidas o medianas Líquidos de todos tipos, excepto viscosos Las bombas reciprocantes se usaron mucho y su sustitución por las centrífugas ha corrido al parejo de la sustitución del vapor por energía eléctrica, como fuentes de energía. Calculo de la potencia requerida por una bomba La potencia requerida por una bomba se calcula en forma aproximada por la formula Donde: H = altura manométrica en metros P = potencia en KW Q = capacidad de la bomba en litros/seg. = rendimiento de la bomba. Se toma: 0.4 a 0.8 para bombas centrífugas y 0.6 a 0.7 para bombas de pistón. La altura manométrica se calcula como: H = HA + HR + P HA = altura de aspiración en metros H = altura de recurrencia en metros P = perdidas en tuberías, codos, etc. en metros. Donde: HP =Potencia de la bomba en HP. H = Altura de elevación del agua en metros. = rendimiento de la instalación ( 0.6 a 0.7) MAQUINAS ELECTRICAS 1. MAQUINAS ROTANTES 2.1 GENERALIDADES. Las máquinas eléctricas rotantes tienen la particularidad de convertir energía eléctrica en mecánica o viceversa. Una primera clasificación que puede hacerse es por su función:
• Generador, máquina que produce energía eléctrica por transformación de la energía mecánica. • Motor, máquina que produce energía mecánica por transformación de la energía eléctrica. • Convertidor rotativo que convierte energía eléctrica de una forma a otra (cambiando frecuencia, convirtiendo corriente alterna en continua etc.) máquina muy utilizada en el pasado. Si se clasifican por la fuente de energía que las alimenta o que representan se tiene: • máquinas de corriente continua • máquinas de corriente alterna Estas últimas por sus características constructivas y de velocidad se clasifican en: • Máquinas asincrónicas • Máquinas sincrónicas A partir de este capítulo nos ocuparemos de tres máquinas rotantes en las que se reúnen todos los conceptos principales de proyecto de cualquier otra, y en el siguiente orden: • iniciaremos con el alternador como ejemplo de máquina sincrónica, • continuaremos con el motor asincrónico, • y finalmente la máquina de corriente continua (generador o motor). Las máquinas rotantes utilizadas en los sistemas eléctricos tienen características que son objeto primero de especificación, luego de garantías y finalmente de comprobación mediante ensayos. 2.2 PARAMETROS NOMINALES. Son datos que en base a las condiciones de servicio definen las prestaciones que puede entregar la máquina en condiciones especificadas. Se presentan como el conjunto de valores numéricos de las magnitudes eléctricas y mecánicas asignadas a la máquina por el constructor e indicadas en la chapa de características.
2.2.1 Potencia nominal Este valor establece las bases de diseño, de construcción y de garantías. Generalmente cuando no se especifica otra cosa se supone que la máquina es de servicio continuo, es decir, puede funcionar con carga constante un tiempo ilimitado en el cual alcanzará un equilibrio térmico aceptable y no perjudicial para la vida útil de la máquina. Esto también incluye el funcionamiento permanente a potencia máxima Para las máquinas rotantes se establecen dos regímenes extremos de funcionamiento, en vacío y a plena carga. Funcionamiento en vacío es la condición de funcionamiento de una máquina con carga nula (el resto de condiciones de operación son las nominales). Funcionamiento a plena carga es cuando se tiene el mayor valor de carga indicada para una máquina funcionando a la potencia nominal. 2.2.2 Momento de inercia El momento de inercia (dinámico) de un cuerpo alrededor de un eje es la suma (integral) de los productos de sus masas elementales por el cuadrado de sus distancias radiales al eje. 2.2.3 Constante de tiempo térmica equivalente La constante de tiempo térmica equivalente es la constante de tiempo que, en reemplazo de otras individuales, determina aproximadamente la evolución de la temperatura en un arrollamiento a consecuencia de una variación de corriente en escalón. Producción de corriente alterna (senoidal) Si hacemos girar una espira en el interior de un campo magnético, se inducirá en cada conductor una fuerza electromotriz inducida de valor: e = β · L · v · sen α Siendo α el ángulo entre la inducción magnética y la
velocidad o sentido del movimiento que, como se ve en la figura, varía de 0º a 360º a cada vuelta del conductor. β es la densidad de campo, L es la longitud de la espira, v es la velocidad de rotación. Si la espira está formada por un conductor de ida y otro de vuelta, en la espira se induce una f.e.m.: e = 2 · β · L · v · sen α Si la bobina tiene Ne espiras: e = 2 · Ne · β · L · v · sen α Para evitar el enrollamiento de los conductores es necesario dotar al conjunto de unos anillos rozantes. Si mantenemos constante la inducción del campo y la velocidad de giro, siéndolo también el número de conductores y la longitud de los mismos, tendremos: 2 · Ne · β · L · v = emax Æ Constante e = emax · sen α Como puede deducirse de la fórmula la f.e.m. resultante tendrá forma senoidal. Si además expresamos el ángulo girado en función de la velocidad angular: ω = α / t Æ α = ω ·t e (t) = emax · sen ω ·t Donde ω ·t representa el ángulo girado en radianes, siendo ω la velocidad angular en rad/s. Generación de CA trifásica Haciendo girar una espira en un campo magnético se puede conseguir una corriente alterna senoidal (monofásica). Si en vez de una única espira hacemos girar tres espiras a 120º (360º/3) unas de otras, se consiguen tres tensiones alternas senoidales de igual frecuencia y amplitud pero desfasadas 120º entre sí: Para sacar las tensiones al exterior sería necesario un sistema de anillos rozantes y escobillas colectoras que a
las tensiones usuales, de 10 a 20 kV, generan ciertos problemas eléctricos y mecánicos. En los alternadores modernos se sitúan las bobinas en el estator dotando al rotor de un potente electroimán que, al ser alimentado por una corriente continua, genera el campo magnético. Se evita de esta forma el complejo sistema de anillos colectores. Existen dos formas básicas de conexión de estas bobinas a las líneas exteriores: conexión en estrella y conexión en triángulo. Tensión simple o de fase: Cada bobina del alternador trifásico se comporta como un generador monofásico, generando entre sus terminales una tensión denominada simple o de fase. Tensión compuesta o de línea: De cada borne 1, 2 y 3 de la figura sale un conductor de línea. A la tensión entre dos líneas se le denomina compuesta o de línea. En el caso de la conexión estrella puede existir un cuarto conductor NEUTRO (saliendo del borne 0). Las tensiones de una línea al neutro coinciden con las tensiones en cada bobina, siendo por tanto tensiones de fase. Factor de potencia FACTOR DE POTENCIA: Coseno del ángulo que forman la intensidad de fase y la tensión de fase. Este ángulo será igual al de la impedancia conectada. 0 ≤ F.d.p. ≤ 1 Motor asíncrono trifásico. Principio de funcionamiento Se dispone de un imán en forma de U, de tal forma que pueda girar por su eje central mediante una manivela. Muy próximo a los polos se sitúa un disco de material conductor no magnético
(cobre o aluminio), de tal forma que también pueda girar. Al hacer girar el imán permanente se puede observar que el disco también gira, pero a un poco menos velocidad que el imán. • El imán en su giro corta el disco que es conductor induciendo f.e.m. y creando corrientes. • Las corrientes interactúan con el campo del imán dando lugar a fuerzas que provocan el giro del disco. En los motores asíncronos el campo giratorio lo produce un sistema de C.A. trifásica, cuya velocidad de giro dependerá de la frecuencia de las corrientes y del número de pares de polos de que conste el motor: VELOCIDAD DE SINCRONISMO En la figura de la izquierda puede verse el bobinado de una máquina de un sólo par de polos. Cada ciclo de red el campo magnético giratorio da una vuelta completa. Para una frecuencia de la red de 50 Hz, el campo da 50 vueltas por segundo, esto es, 3000 r.p.m. A la derecha puede verse el bobinado de una máquina de dos pares de polos. Cada ciclo de red el campo magnético giratorio da media vuelta. Para una frecuencia de la red de 50 Hz, el campo da 50/2 vueltas por segundo, esto es, 1500 r.p.m. Como puede deducirse de la fórmula, la velocidad de sincronismo, velocidad con la que gira el campo magnético, será submúltiplo de 60· f, es decir de 60x50 = 3000 r.p.m. en Europa, ya que la frecuencia de la red es de 50Hz. Para un número de pares de polos diferente de la unidad (siempre un número entero) surgirán velocidades inferiores. Velocidad para una frecuencia de 50 Hz Pares de polos Polos r.p.m. 1-2-3000
2-4-1500 3-6-1000 4-8-750 5-10-600 6-12-500 Motor asíncrono de rotor en cortocircuito ESTATOR Parte fija del motor formada por paquetes de chapa magnética que alojan en ranuras a las bobinas que van a crear el campo magnético giratorio. Estas bobinas pueden estar conectadas en estrella o en triángulo. Por ejemplo un motor de 380/220 V se podrá conectar a una red de 380 V en estrella o a otra de 220 V en triángulo. En cualquier caso cada bobina estará a la tensión de fase de 220 V. Esto es así porque la tensión que soporta cada bobinado conectado en estrella es raiz de tres veces menor que conectado en triángulo. ROTOR Parte del motor que va a girar y que está formada por paquetes de chapa magnética de forma cilíndrica en torno a un eje, con ranuras en las que se alojan conductores de aluminio cortocircuitados en sus extremos por medio de anillos (Jaula de ardilla). DESLIZAMIENTO El rotor nunca girará a la velocidad de sincronismo, ya que si iguala la velocidad de giro del campo del estator, las líneas de fuerza no cortarían a los conductores y no se generarían f.e.m., ni corrientes, ni par para mantener el movimiento. Se llama deslizamiento a la diferencia entre la velocidad a la que gira el rotor y la velocidad de sincronismo, normalmente dada en % de la de sincronismo. ARRANQUE
Al estar los conductores del rotor en reposo, son cortados por el campo giratorio a gran velocidad, lo que crea grandes f.e.m. inducidas que dan lugar a grandes intensidades en el arranque acompañadas de un fuerte par de arranque. CARGA Girando el motor en vacío, la velocidad del rotor es muy próxima a la del campo del estator siendo esta pequeña diferencia la que permite al campo cortar los conductores del rotor induciendo pequeñas f.e.m. y pequeñas intensidades suficientes para crear el par necesario. Si aumenta el par que debe realizar el motor, éste baja su velocidad, aumentando el deslizamiento e induciendo mayores f.e.m. y corrientes, capaces de provocar el aumento de par necesario. CARACTERÍSTICA PAR-VELOCIDAD Los motores asíncronos trifásicos tienen aproximadamente las siguientes características: • Par de arranque de 1,5 a 2 veces el nominal. • Par máximo de 2 a 3 veces el nominal a una velocidad del 80% de la de sincronismo. • Par nominal con un deslizamiento del 2% al 8%. La relación del par máximo y el nominal (Cmax/Cn) se denomina capacidad de sobrecarga. El punto de funcionamiento del motor es la intersección de la curva del par motor con la del par resistente. Esto ocurre para el par nominal del motor en torno al 92-98% de la velocidad de sincronismo (zona de la derecha de la curva). Si el par resistente disminuye, la intersección tiene lugar más a la derecha, a una velocidad algo mayor, mientras que si el par resistente aumenta, el motor reduce su velocidad. Motor asíncrono de rotor bobinado o de anillos rozantes En estos motores, el estator posee las mismas características que el motor con rotor en
cortocircuito, pero el rotor se construye insertando un devanado trifásico en las ranuras de un núcleo cilíndrico de chapas magnéticas. Este devanado se conecta normalmente en estrella y los tres terminales restantes se conectan a tres anillos rozantes que a través de unas escobillas permiten la conexión exterior de unas resistencias para limitar la corriente rotórica. La inserción de estas resistencias permite la reducción de la intensidad de arranque manteniendo un buen par que incluso puede ser máximo en el arranque. Su inconveniente es su mayor precio y coste de mantenimiento, llegando casi a desaparecer en la actualidad debido a los sistemas electrónicos de arranque para el motor de rotor de jaula. 1. Se conecta KM1.
2. Temporización. 3. Se conecta KM2. 4. Temporización. 5. Se conecta KM3. Balance de potencias y par motor La evolución de la potencia en un motor asíncrono, desde la potencia absorbida de la red hasta la potencia útil en el eje, siendo q1 el númerode fases del estator y q2 el número de fases del rotor: La potencia total absorbida de la red por el estator va sufriendo ciertas pérdidas: Cada pérdida va generando una nueva
potencia en el motor hasta llegar a la potencia útil: • Pérdidas en el cobre del estator. • Pérdidas en el hierro del estator. • Pérdidas en el cobre del rotor. • Pérdidas mecánicas. • Potencia del campo magnético. • Potencia electromagnética. • Potencia mecánica interna. • Potencia útil La relación de la potencia útil con la absorbida nos da el rendimiento del motor, que suele darse en tanto por ciento, y su relación con la velocidad del motor en rad/s nos da el par útil en N· m, que se igualará al par resistente, producto de la fuerza por la distancia (normalmente el rádio de la polea utilizada).
Es interesante conocer la variación sufrida por el par motor en función de la tensión y la frecuencia:
El par es directamente proporcional al cuadrado de la tensión. El par es inversamente proporcional al cuadrado de la frecuencia