principios electromecanicos tema i

Autor: Dr. William Rojas

República Bolivariana de Venezuela

Decanato de Investigación y Postgrado

Cátedra: Principios Electromecánicos

Maracaibo,

PRINCIPIOS ELECTROMECÁNICOS

TEMA I


Electromecánico (ca).

1. Electr. Dicho de un dispositivo o de un aparato mecánico:

Accionado o controlado por medio de corrientes eléctricas.

2. Electr. Técnica de las máquinas y dispositivos mecánicos que

funcionan eléctricamente. DRAE:


Combinan los principios básicos de los

métodos o procedimientos mecánicos con

el conocimiento de circuitos eléctricos y

electrónicos.

Es decir, integran o combinan los

elementos, creando un resultado que

aprovecha y maximiza las cualidades de

cada uno de los mecanismos

involucrados.


Un accionamiento eléctrico persigue conseguir una determinada

respuesta de un sistema mecánico



• Fuente de alimentación: en general, la red eléctrica de corriente

alterna o un generador.

• Convertidor electrónico de potencia: Puede ser una combinación de

distintos tipos de convertidores: AC - DC, AC - AC, DC - AC, DC - DC.

El convertidor podría ser reversible en potencia o no reversible.

• Sistema de control: puede ser analógico, digital o una combinación de

ambos. A menudo se emplean micro controladores o procesadores

digitales de señales (DSP) de gran velocidad y capacidad de cálculo.

Partes principales de un accionamiento eléctrico:



• Motor eléctrico: de AC o de DC. La tendencia es usar motores de AC.

• Sistema de transmisión (caja de engranajes) y carga mecánica: Puede ser

pasivo (el par es siempre en sentido contrario a la velocidad de giro) o

activo (el par tiene un sentido único, independientemente del sentido de

giro), característico de los aparatos de elevación.

• Sensores: transformadores de intensidad o de tensión, sondas de efecto

Hall, tacómetros o encoders. La tendencia es eliminar los sensores

mecánicos y sustituirlos por observadores, disminuyendo las fallas y

necesidades de mantenimiento.




La máquinas eléctricas más empleadas son las de corriente alterna y

corriente continua. Entre las máquinas de corriente alterna se encuentran:

inducción, sincrónicas de imán permanente, entre otras.

El puente convertidor electrónico se define en función de dos aspectos

fundamentales: el sistema de alimentación: continua o alterna que

determina su entrada y la maquina eléctrica a emplear que determina la

salida (continua o alterna).



El esquema de control de los equipos electromecánicos, debe

garantizar un proceso de conversión de energía eléctrica a mecánica

eficiente, teniendo en cuenta la calidad de la energía suministrada al

motor y a la red de alimentación


.- Sistema mecánico:

• Control rápido, continuo y a distancia del sistema.

• Ajuste de variables (caudal, presión, entre otras)

.- Características dinámica:

1. Tiempos cortos en arranque, paro e inversión.

2. Tiempos cortos en cambios de velocidad.

3. Control de aceleración.

• Requerimientos de precisión:

1. Mantener la velocidad constante.

2. Parar en una posición determinada.

3. Suministrar par a bajas velocidades




• Sistema eléctrico de alimentación y motor

1. Menor sobre intensidad de arranque.

2. Posibilidad de ahorro de energía.

3. Control del factor de potencia.

4. Control de la inyección de armónicos.

5. Menores esfuerzos mecánicos en el motor.

6. Menor calentamiento




Para alcanzar estas características, es necesario tener presente que

estos equipos eléctricos presentan una naturaleza multidisciplinaria donde

intervienen varias áreas del conocimiento.


Principales características de los equipos electromecánicos:


• Procesos industriales: mezcladotas, bombas, ventiladores, compresores.

• Maquinaria: cabrestantes, prensas, afiladores, molinos.

• Acondicionamiento de calor y frío industrial: bombas, sopladores,

compresores.

• Industria del acero y del papel: elevación, grúas, rodillos.

• Transporte: ascensores, vehículos, trenes, metros.




• Industria textil: telares, etc.

• Industria del alimento: transporte, ventilación, empaquetado, etc.

• Industria del petróleo, gas y minería

• Residencial: bombas, congeladores, lava platos, lavadoras, etc.

• Industria manufacturera.





ELEMENTOS BÁSICOS

Sistema:

Conjunto de elementos ordenados para cumplir un fin específico y cuyas

interacciones con el mundo exterior se reducen a intercambios de

información, energía y/o materia

Proceso:

Es la parte del sistema que directamente produce características o

propiedades de los materiales involucrados



ELEMENTOS BÁSICOS

Elementos básicos:

Son los que constituyen un sistema físico y su número determinado

según su grado de complejidad del sistema.

Además, son comunes a una serie de disciplinas, tales como:

.- Electricidad

.- Mecánica

.- Electrónica

.- Instrumentación y Control.

GT CP

M

FT PTTTTTPT

ASC

0000

Fuel

Cont


La figura muestra un sistema de posicionamiento lineal. El apuntador se

encuentra conectado a un delgado cordón que se extiende sobre una polea

fija, alrededor de una polea móvil, sobre otra polea fija y se sujeta al objeto

que será posicionado. El objeto descansa sobre un soporte

Sistema de posicionamiento

mecánico utilizando un soporte

y un piñón.



INTRODUCCIÓN

Estos principios son aplicados a

las máquinas eléctricas que son

unos dispositivos empleados en la

conversión de la energía mecánica a

energía eléctrica, energía eléctrica a

energía mecánica y en la

transformación de la energía

eléctrica con un nivel de voltaje a

una energía eléctrica con otro nivel

de voltaje, mediante la acción de un

campo magnético.

CONCEPTOS GENERALES DE MAQUINAS ELÉCTRICAS

1.2.- MÁQUINAS ELÉCTRICAS





Campo magnético

Los campos magnéticos son el mecanismo fundamental para convertir la

energía de C. A. en energía de C. C., o viceversa, en motores, generadores y

transformadores.

Principios básicos de utilización del campo magnético en estos equipos:

• Un conductor que porta corriente, produce un campo magnético a su

alrededor.

• Un campo magnético variable con el tiempo induce un voltaje en una

bobina de alambre si pasa a través de ésta (Funcionamiento del

transformador)

• Un conductor que porta corriente en presencia de un campo magnético,

experimenta una fuerza inducida sobre él (Funcionamiento del motor).

• Un conductor eléctrico que se mueva en presencia de un campo

magnético tendrá un voltaje inducido en él. ( Funcionamiento del Generador).





Campo magnético

Siempre que existe un flujo magnético en un cuerpo o componente, se

debe a la presencia de una intensidad de campo magnético H, dada por:

H = U/l

Donde:

H = intensidad de campo magnético [A/m]

U = fuerza magnetomotriz que actúa en el componente [A] (o ampere

vuelta)

l = longitud del componente [m]





Campo magnético

La densidad de flujo magnético resultante está dada por

B = φ/A

Donde

B = densidad de flujo [T]

φ = flujo en el componente [Wb]

A = sección transversal del componente [m²]

Existe una relación definida entre la densidad de flujo (B) y la intensidad

de campo magnético (H) de cualquier material.


A la corriente eléctrica que se genera se le llama: “corriente inducida”.

Al circuito donde aparece la corriente se le denomina circuito inducido, y

al dispositivo que produce (induce) la corriente se denomina inductor



Campo magnético


• Faraday establece que:

1. Si el flujo que vincula un lazo (o vuelta) varía como una función de

tiempo, se induce un voltaje entre sus terminales.

2. El valor del voltaje inducido es proporcional a la velocidad de cambio

del flujo.


Por definición, y de acuerdo con el sistema SI de unidades, cuando el flujo

dentro de un lazo varía a razón de 1 weber por segundo, se induce un voltaje

de 1 V entre sus terminales. Por ello, si el flujo varía dentro de una bobina de

N vueltas, el voltaje inducido está dado por:

E = N(Dφ/Dt)

Donde:

E = voltaje inducido [V]

N = número de vueltas en la bobina

DF = cambio de flujo dentro de la bobina [Wb]

Dt = intervalo de tiempo durante el cual cambia el flujo [s]



Campo magnético


+


El campo magnético genera corriente eléctrica

Electromagnetismo








Electromagnetismo


Ejemplo:

Una bobina de 2000 vueltas o espiras encierra un flujo de 5 mWb

producido por un imán permanente de acuerdo a la Fig. El imán es extraído

de repente y el flujo en el interior de la bobina cae uniformemente a 2 mWb

en 1/10 de segundo. ¿Cuál es el voltaje inducido?

Solución:

El cambio de flujo es:

DF = (5 mWb - 2 mWb) = 3 mWb




Electromagnetismo

Voltaje inducido por un imán en movimiento


Como este cambio ocurre uniformemente en 1/10 de segundo (Dt), el

voltaje inducido es

E = N(Dφ/Dt) =




Electromagnetismo

El voltaje inducido se reduce a cero en cuanto el flujo deja de cambiar

= 60 V


Las máquinas eléctricas tienen por

finalidad transformar la energía

mecánica en energía eléctrica y

viceversa.

Cuando la conversión es de

energía mecánica en energía

eléctrica se dice que la máquina está

funcionando como generador y en el

caso contrario opera como motor





ESQUEMA DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS


Máquinas Eléctricas:

Una máquina estándar es un aparato eléctrico que depende de la

inducción electromagnética para su funcionamiento y que tiene uno o más

componentes para efectuar el movimiento de rotación.

En particular, los tipos de máquinas cubiertos son los que generalmente se

hace referencia como motores y generadores

Normas NEMA, 1,2



Elementos donde recibe

la energía del exterior bajo

forma dada

Máquina

Eléctrica

ENTRADA

Elementos en donde la

energía se entrega bajo una

forma distinta salvo el caso

de los transformadores

SALIDA



• Electromagnético.

Toda máquina eléctrica está dotado de un conjunto magnético y dos

circuitos eléctricos, uno de los circuitos, es el de excitación, que al ser

recorrido por una corriente eléctrica produce amperios vueltas

necesarios para crear el flujo que se establece en el conjunto magnético

de la máquina.


CONSTITUCIÓN GENERAL DE UNA MÁQUINA ELÉCTRICA.


Mecánico.

• Se clasifican en rotativas y estáticas.

• Máquinas rotativas: Están provista de piezas giratorias como la

dínamo, los alternadores, motores, entre otros. Tiene una parte fija

llamada estator y otra móvil llamada rotor, entre ambas partes hay un

espacio de aire llamado entrehierro.

• Máquinas estáticas: No disponen de partes móviles como el

transformador.


CONSTITUCIÓN GENERAL DE UNA MÁQUINA ELÉCTRICA.



Clasificación de las Máquinas eléctricas

Generador: Su función es la de transformar la energía mecánica en

eléctrica.

Motor: Su función es la de transformar la energía eléctrica en mecánica.

Transformador: Su función es la de tratar las magnitudes de tensión y

corriente de la energía eléctrica

Chapman (2000)


La potencia que desarrolla una máquina eléctrica es la energía por

unidad de tiempo. (Potencia = Trabajo / tiempo)

Si se trata de un motor, la potencia dependerá de los mecanismos

acoplados al eje del motor y que serán accionados por él.

Si se trata de un generador, dependerá del circuito al que alimenta.

Con esto, las máquinas eléctricas pueden funcionar con diferentes

valores de potencia útil. De todos estos valores, el que caracteriza la

máquina se denomina potencia nominal.

Potencia y energía de una máquina eléctrica



Todas las máquinas rotativas se calientan. Debido, a que parte de la

energía se transforma en calor.

Estas pérdidas se dan en diferentes partes de la máquina

Pérdidas mecánicas:

• Debido al rozamiento (máquinas rotativas "giran"). Se dan en las partes

móviles: cojinetes, escobillas (debido a su rozamiento con el colector), etc.



POTENCIA NOMINAL = POTENCIA A PLENA CARGA

POTENCIA NULA = TRABAJA EN VACIO


Pérdidas en el cobre:

Debidos al efecto Joule, es decir, parte de la energía eléctrica que

circula por los conductores se transforma en calor por los choques de los

electrones con los iones metálicos de dicho conductor.

Pérdidas en el hierro:

Debido a las pérdidas en el circuito magnético, que está formado por un

núcleo de hierro. Pueden ser de dos tipos: pérdidas por histéresis, que

son debidas a la magnetización cíclica del hierro o pérdidas por corrientes

de Foucault, que se producen por las corrientes inducidas en el hierro.




Flujo de potencia activa en un motor de inducción trifásico.



La potencia instantánea suministrada a un dispositivo es simplemente el

producto del voltaje instantáneo a través de sus terminales multiplicado por

la corriente instantánea que fluye a través de él.

La potencia instantánea siempre se expresa en watts




Potencia activa, reactiva y aparente de un motor

Potencia activa,

reactiva y aparente Se aplica a circuitos

de corriente alterna

Basados en el electromagnetismo,

como motores y transformadores Coexisten estas potencia

Triángulo de potencias

El ángulo que forma la potencia

aparente y la activa se denomina coseno

de φ o "factor de potencia" y lo crea la

potencia reactiva.

> potencia reactiva, > será el

ángulo y menos eficiente será

el equipo al que le corresponda




Potencia activa, reactiva y aparente de un motor

La potencia activa representa la potencia útil, es la energía que se

aprovecha cuando ponemos a funcionar un equipo eléctrico y realiza un

trabajo. Es la consumida por todos los aparatos eléctricos que utilizamos

normalmente

La Potencia reactiva es la que consumen los motores, transformadores y

todos los dispositivos o aparatos eléctricos que poseen algún tipo de bobina

o enrollado para crear un campo electromagnético. consumen tanto

potencia activa como potencia reactiva. Su eficiencia de trabajo depende el

factor de potencia.

La potencia aparente o potencia total es la suma de la potencia activa y

aparente.


Triángulo de potencia

La relación S² = P² + Q² se representan mediante el llamado, triángulo de

potencias, es un triángulo rectángulo, en el cual. La potencia activa (P) se

sitúa en el cateto horizontal, la potencia reactiva (Q) en el cateto vertical y la

potencia aparente (S) en la hipotenusa.



Pot. Activa

+JQ

-JQ

Potencia Reactiva La potencia aparente (S) se obtiene al

extraer la raíz cuadrada de la suma de los

cuadrados de la potencia activa (P) y de la

potencia reactiva (Q)

S = √P² + Q²




Triángulo de potencia

Del triángulo de potencias se obtiene las siguientes razones trigonométricas

Por consiguiente, despejando se tiene:

P= S . Cosφ y Q = S . sen φ

Q=

Po

ten

cia

Rea

ctiv

a (k

VA

R)

φ

P = Potencia Activa (kW)


Ejemplo:

Un motor de corriente alterna absorbe 40 Kw. de potencia activa y 30 Kva.

de potencia reactiva. Calcule la potencia aparente suministrada al motor.



= √40² +30²

= 50 KVA

S = √P² + Q²

P Q S

S = 80 70

0 0106

S=Potencia Apare

nte (k

VA)80

010

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100

P = Potencia Activa (kW)

Q= P

ote

ncia

Reacti

va

(kV

AR

)

Serie1

Serie2


Una carga de 500 w y factor de potencia es de 0,76. Se desea mejorar el

factor de potencia a 0,93. En el banco de condensadores que se utilizará.



Ejemplo:

Datos:

P= 500 w

Cosφ ̄ ¹= 0,76 = 40,53°

Cosφ ̄ ¹= 0,93 = 21,56°

Sen40,53 = Q/S

Cos40,53 = P/S


5400 3769,22

5400 1575,00

0, 0 0,00

500,00

1000,00

1500,00

2000,00

2500,00

3000,00

3500,00

4000,00

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

serie 1 serie 2

W FP1 FP2 VTS

500 0,76 0,93 220

0 0 0 0

Q1 427,58

Cos¯¹ 0,7074832

0 40,535802

Cos¯¹

0,3763835

S1 657,89 21,565185

S2 537,63

Q2 197,61

0 W 376,8

Qc 229,97

18237120

C 1,2610E-05 F

12,61 µF




* 100% out

in

P

P h =

Rendimiento

La relación entre la potencia que desarrolla una máquina eléctrica

(potencia útil) y la potencia que absorbe se denomina rendimiento.

Será siempre menor que 1 porque la potencia útil es menor que la

potencia absorbida.


h = eficiencia [%]

Рsal = potencia de salida [W]

Рent = potencia de entrada [W]



Ejemplo:

Un motor eléctrico de 150 Kw. tiene una eficiencia de 92 % cuando opera a

plena carga. Calcule las pérdidas en la máquina.

Solución:

La capacidad de 150 Kw. siempre se refiere al rendimiento de potencia

mecánica del motor.

La potencia suministrada es:

Pin = Pout/η = 150/0.92 = 163 Kw.

Las pérdidas son:

Pin - Pout = 163 - 150 = 13 Kw.

* 100% out

in

P

P h =

Rendimiento




La potencia que figura en las placas características son las potencias nominales

POTECIA

NOMINAL DE UN

GENERADOR

POTECIA

NOMINAL DE UN

MOTOR

POTECIA

NOMINAL DE UN

TRANSFORMADO

R

Se expresa

normalmente en

kVA.

Se expresa

normalmente en

kVA.

Potencia Mecánica

disponible en el eje

de Salida. W ó Kw.




CLASIFICACIÓN

CLASIFICACIÓN POR NIVEL DE POTENCIA

• Micromáquinas.- Cuya potencia varía de décimas de watt hasta

500w. Estas máquinas trabajan tanto en C.A. como en C.C., así como

a altas frecuencias (400-200Hz).

• De pequeña potencia.-.0.5-10 kW. Funcionan tanto en c.a. como en

c.c .y, en frecuencia normal (50-60Hz ó más).

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

• De gran potencia.-Mayor de 100kW. Por lo general las máquinas de

media y gran potencia funcionan a frecuencia industrial.




CLASIFICACIÓN

• CLASIFICACIÓN POR FRECUENCIA DE GIRO

De baja velocidad : con velocidad menor de 300 r.p.m.;

De velocidad media : (300 - 1500 r.p.m.);

De altas velocidades : (1500 - 6000 r.p.m.);

De extra altas velocidades: (mayor de 6000 r.p.m.).




CARACTERÍSTICAS COMUNES DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS

• Es necesario definir las características fundamentales de las máquinas

eléctricas:

1.Potencia

2.Tensión

3.Corriente

4.Factor de Potencia

5.Frecuencia

6.Rendimiento

7.El Campo Magnético




Ejemplo, Potencia en Circuito RL Serie.

• Una instalación eléctrica monofásica con cargas inductivas y resistivas,

se encuentra alimentada por 230Vac, con un consumo de 82 Amperios.

Presenta un factor de Potencia de 0.92.

• Calcular:

– La Potencia Aparente,

– La Potencia Real,

– La Potencia Reactiva.





Solución







Ejemplo

Necesitamos utilizar un motor de inducción trifásico de jaula de ardilla de

40 hp, 1760 r/min. y 440 V como generador asíncrono. La corriente nominal

del motor es de 41 A, y el factor de potencia a plena carga es de 84%.

a. Calcule la capacitancia requerida por fase si los capacitores están

conectados en delta.

b. ¿A qué velocidad debe funcionar el motor de gasolina propulsor para

generar una frecuencia de 60 Hz?

Fig. 1



La potencia aparente absorbida por la máquina cuando opera como motor

eléctrico es:

S = √3 x EI

= 1,73 x 440 x 41

= 31,2 KVA

La potencia Activa correspondiente absorbida es:

P = S Cosθ

= 31,2 x 0,84

= 26,2 KW

La potencia reactiva correspondiente absorbida es:

Q = √ S² - P²

= √ 31,2² - 26,2²

= 17 kvar


Potencia y energía de una máquina eléctrica Ejemplo


Cuando la máquina opera como generador asíncrono, el banco de

capacitores debe suministrar por lo menos 17/3 = 5.7 kvar por fase. El

voltaje por fase es de 440 V porque los capacitores están conectados en

delta. Por lo tanto,

La corriente capacitiva por fase es



Ic = Q/E = 5700/440 = 13 A

La reactancia capacitiva por fase es:

Xc = E/I 440/13 = 34 Ω

La capacitancia por fase debe ser por lo menos

C = ½ x pfXc

= 1/(2 x 3.14159 x 60 x 34)

= 78 µF

Ejercicio


Ejercicio, Continuación.

La figura 1 muestra cómo está conectado el sistema de generación. Observe

que si la carga también absorbe potencia reactiva, se debe incrementar el

banco de capacitores para proporcionarla.

b. El motor de gasolina impulsor debe girar ligeramente por encima de la

velocidad síncrona. Por lo general, el deslizamiento deberá ser igual al

deslizamiento a plena carga cuando la máquina opera como motor eléctrico.

Por consiguiente, el motor de gasolina deberá funcionar a una velocidad

aproximada de

deslizamiento = 1800 - 1760

= 40 r/min

Por ello, el motor de gasolina deberá funcionar a una velocidad aproximada de:

n = 1800 + 40 = 1840 r/min






a. Instrumentos utilizados para medir E, I, P y Q en un circuito.

b. El diagrama fasorial se puede deducir de las lecturas del instrumento.

Ejemplo

Un vatímetro y un varímetro están conectados a una línea monofásica de

120 V que alimenta un motor ca. Indican 1800 W y 960 var, respectivamente.

Calcule.

a. Los componentes en fase y en cuadratura Ip e Iq.

b. La corriente de línea I.

c. La potencia aparente suministrada por la fuente.

d. El ángulo de fase entre el voltaje de línea y la corriente de línea.


Solución

De acuerdo a la figura, donde ahora la carga es un motor, tenemos

a. Ip = P/E = 1800/120 = 15 A

Iq = Q/E = 960/120 = 8 A

b. De acuerdo con el diagrama fasorial, tenemos

c. La potencia aparente es

S = EI = 120 x 17 = 2040 VA

d. El ángulo de fase φ entre E e I es

φ = arctan Q/P = arctan 960/1800

= 28.1°





Ejemplo

Se coloca un capacitor de 50 mF a través de las terminales del motor

Calcular

a. La potencia reactiva generada por el capacitor.

b. La potencia activa absorbida por el motor.

c. La potencia reactiva absorbida de la línea.

d. La nueva corriente de línea.





Solución





b. El motor continúa absorbiendo la misma potencia activa porque aún

está totalmente cargado. Por consiguiente,

Pm = 390 W

El motor también absorbe la misma potencia reactiva que antes, porque

nada ha ocurrido que cambie su campo magnético. Por consiguiente,

Qm = 456 var

c. El motor absorbe 456 var de la línea, pero el capacitor suministra 271 var

a la misma línea. Por lo tanto, la potencia reactiva neta absorbida de la

línea es:

QL = Qm – Qc

= 456 – 271

= 185 var



Continuación



d. La potencia aparente absorbida de la línea es:



Continuación

SL = √P² L + Q² L

= √ 390² + 185²

= 432 VA

La nueva corriente de línea es

IL= SL/E = 432/120

= 3,6 A



Por lo tanto, la corriente de línea de ca es de 5 a 3.6 A si se coloca el

capacitor en paralelo con el motor.

Esto representa una gran mejora porque la corriente de línea es menor y la

operación del motor no ha cambiado en lo más mínimo.

El nuevo factor de potencia de la línea es:



Continuación


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