ELECTROMECANICA
y MAQUINAS
ELECTRICAS
ELECTROMECANICA
YMAQUINAS
/
ELECTRICAS
S.A.
Nasal
Departamento de Ingeniería Eléctríca
Universidad de Kentucky
Lexington, Kentucky
L.E. Unnewehr
Laboratorios de InvesNgación Cientmca
Ford Motor Company
Dearborn¡ Michigan
.
..
LIMUSA
VelSión autorizada en eapatiol de la obra
publJeadaea l.ngl& por Jolln Wüey & Sons
bajo el titulo do ELECIROMECHANICS ANO
ELECnUC MACHINES
O 1979 by Jolln Wüey &; Sona, Inc.
ISBN 6471-GJ536-X
Vonión espalo":
GUILLERMO GARCIA T ALAVERA
lnpJüero en ComwdcacioneJ y Electrónica
y ex·Profesor de Teoría de Jos Circuitos
E1~. en la &;ueIa Superior de
lD&ui«ía Mecánica y EJéctrica del
lrutttuto Politécnico Nacional de México
Revisión: .
VK70RPEREZAMADORBARRON
lJI¡eIüero Mecánico E1ectr.iáata. Profesor
TItular de Tiempo Completo y Jefe de la
Secci6n de IQeemcJía de la Universidad
Nacional Autónoma de Méxil:o. Profesor del
Departamento de FÚlica de la Universidad
lberoamtll'ial.lla
Todos Joa derechos luenados:
@ 19' 7 EDITORIAL LIMUSA. S.A.
Bateleras 95. Primer piso, México 1, D.F'.
Miembro de la Camara Nacional de la
Industria EditorlaI. Rq¡istro Núm. 111
Pdm_ edidón: 1982
lmpHlO en Méxko
(2819)
ISBN .....'8-1362-6
A mi tío el profesor Majnoon Gorakhpuri, quien con sus inconmensurables aportaciones literarias influyó en mI: Con el más sincero agradecimiento y
afecto,
S.A. Nasar
A lean, por su amor y comprensión,
L.E. Unnewher
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I
I
Prólogo
ra el hogar y la provisión de la mayor parte del trabajo mecánico en la industria,
proporcionar un importante proceso de conversión de
en la producción de
gía eléctrica. Estos dispositivos electromecánicos también 4,:~il~i)eñáir UlÍli.( fl11flé~i~p
COlmplonlentes en ~.~'.v.....~
visual. En resumen, los dispositivos electromecánicos forman parte de la mayoría de
los sistemas con los que deben trabajar los ingenieros y tecnólogos de muchas "",,,u,unas. Es por esto que es tan importante conocer los
v0:1taje in:dliGUIó y,'qampos'clect<fomlj:gnéticos que '
Como lo indica el título de este libro, varias áreas de este estudio previo son necesarias para un buen aprovechamiento. Las materias en las que el lector debe estar
más preparado, son la teoría de los circuitos eléctricos y mecánica básica. Se recomiendan cursos previos en estos temas y equivalentes a los cursos básicosquese imparten
en las escuelas de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. t~bién:e$impQrt~tela,~.ql,'¡(':I~\i¡
ciíle~;fift~¡~}Aue se deriva de la del campo electromagnético y de las analogías
con la teoría de los circuitos eléctricos estacionarios. En el capítulo 2 se hace un repaso de la teoría de circuitos magnéticos para aquellos lectores que no están familiarizados
con los conceptos y términos de ésta.
El objetivo de este libro es ayudar a comprender los numerosos problemas que
7
8 Prólogo
entrañan los dispositivos electromecánicos, enfatizando los conceptos y principios fundamentales. Como se señaló antes, el contacto más común que tiene el ingeniero actual
con un dispositivo electromagnético es al encontrarlo como componente en un sistema.
Las ecuaciones diferenciales y los circuitos equivalentes, que representan a muchos tipos de dispositivos y máquinas en modelación de sistemas, se desarrollan para usarse en
análisis de sistemas, predicción de funcionamiento, etc. Además, se proporciona orientación para manejar las no linealidades asociadas con la mayoría de las máquinas y las
técnicas para las aproximaciones lineales, presentándose también la teoría y aplicación
de las máquinas como dispositivos de control.
El diseño de los tipos comunes de máquinas rotatorias y transformadores-motores de inducción, diversos tipos de motores de conmutador de C.C., motores para utensilios y otros, llegó a ser una ciencia como resultado del sobresaliente desarrollo logrado
durante la primera mitad del siglo XX, de las máquinas rotatorias. Gran parte
de este diseño se trata mediante programas de diseño por rutina de computadora, basados en esa teoría, y tal vez el lector de este libro no tenga necesidad de ser un experto
en este campo en suma especializado del conocimiento. Sin embargo, existe un interés
cada vez mayor en muchas de las configuraciones no ordinarias de dispositivos electromecánicos rotatorios, lineales y estáticos, como resultado de las recientes actividades
aeroespaciales. También se manifiesta una atención renovada en el transporte eléctrico
y en el desarrollo de sistemas de control más elaborados. El diseño y análisis de estos
dispositivos nada comunes requiere un retorno a los principios fundamentales para 10
que es adecuado este libro.
Finalmente, hay dos grandes preocupaciones en el medio en que se elaboró este
libro, las que contribuyeron a su enfoque: la economía y la conservación de la energía.
Ambas son fundamentales en la aplicación adecuada de los dispositivos electromecánicos y se encuentran estrechamente relacionadas. Se puede reducir virtualmente el
consumo de energía de muchos sistemas aumentando la eficiencia (o reduciendo las pérdidas) de los dispositivos electromecánicos en el sistema. Esto se puede realizar aumentando en algunos casos las dimensiones del dispositivo, mejorando su sistema de
enfriamiento, utilizando materiales diferentes como cojines, materiales de más alta
calidad, o en ciertos casos, empleando un dispositivo totalmente diferente que efectúe
la función requerida. Todas estas alternativas requieren por 10 general, costo adicional
en el dispositivo y quizá otros componentes del sistema total. El tiempo de vida
útil y la con fiabilidad del dispositivo influirán también en su costo global. En el diseño y aplicación de la mayor parte de los dispositivos electromecánicos, existen
muchas opciones que permiten elecciones entre eficiencia Y costo. Como la necesidad
de conservar los recursos energéticos mundiales y los recursos materiales se torna más
urgente, el ingeniero debe comprender estas alternativas. Este libro pretende destacar
estas opciones siempre que sea posible. En determinados casos, se usan para estos
propósitos los problemas del final de los capítulos.
En resumen, el contenido de esta obra es como sigue: en el capítulo 1, se presenta
una introducción general; en el capítulo 2 se tratan con suficiente detalle las operaciones de los circuitos magnéticos en c.a. y C.C., así como estos circuitos con imanes permanentes. En un curso de un semestre, el profesor puede omitir algunas secciones es-
Prólogo 9
cogidas de este capítulo. En el capítulo 3, se estudian los transformadores, siendo posible cubrir las primeras cuatro secciones en un curso semestral. El capítulo 4, trata los
sistemas electromagnéticos en movimiento incremental, como los transductores y proporciona la base para la formulación de los procesos de conversión de energía de su dinámica. En el capítulo 5, se presentan detalles descriptivos y características de estado
de régimen de las máquinas de c.c. No se recomienda cubrir el capítulo completo en
un primer curso (gran parte del material descriptivo se puede utilizar como lectura adicional, seguida de discusiones en clase). Los temas adecuados deben escogerse cuidadosamente por el profesor. Los capítulos 6 y 7 se refieren a máquinas de inducción y
síncronas. Estos capítulos son relativamente cortos, y con excepción de las secciones
6.1, 7.5, Y 7.6 se recomienda el resto de estos capítulos para un primer curso. El capítulo 8 se consagra al control de estado sólido de motores eléctricos y comparativamente es extenso. La elección de los temas para un primer curso depende del criterio del
profesor. El capítulo 9, presenta esquemáticamente la teoría general de la dinámica de
las máquinas eléctricas. Aunque este capítulo no se recomienda para un primer curso,
los estudiantes deben enterarse de su contenido, cuando menos superficialmente.
En todo el libro se utilizan unidades del Sistema Internacional de Medidas SI.
Sin embargo, también se dan unidades que tienen uso común. En los apéndices se
incluyen tablas de conversión de unidades, tablas de conductores, así como ciertas
aplicaciones de computadora.
Lexington, Kentucky
Dearborn, Michigan
S.A. Nasar
L.E. Unnewehr
Contenido
Capítulo 1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
17
1.1
Tipos de máquinas rotatorias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
20
1.2
Eficiencia, energía y pérdidas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
26
1.3
Valores y promedio raíz-cuadrático-medio ................ ,
28
1.4
Métodos de análisis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
29
1.5
Método de acceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
30
1.6
Capacidades y limitaciones en dispositivos
electromecánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ,
31
Aspectos económicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
33
Capítulo 2 Circuitos magnéticos de C.A. y C.C. estacionarios . . . . . . . . . . . ..
35
1.7
2.1
Revisión de la teoría del campo electromagnético. . . . . . . . . . ..
37
2.2
Materiales magnéticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
39
2.3
Pérdidas magnéticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
2.4
Circuitos magnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
51
12 Contenido
2.5
Ley de Ampere aplicada a un circuito magnético. . . . . . . . . . . ..
54
2.6
Limitaciones del método del circuito magnético . . . . . . . . . . . ..
57
2.7
El circuito magnético ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
60
2.8
Ley de Faraday y voltaje inducido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
61
2.9
Relaciones energéticas en un campo magnético. . . . . . . . . . . . ..
62
2.10
Inductancia.....................................
63
2.11
Circuitos magnéticos con imanes permanentes. . . . . . . . . . . . . ..
68
Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
77
Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
77
Capítulo 3 Transformadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
83
3.1
Construcción y estructura electromagnética
del transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
84
3.2
Teoría del transformador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
91
3.3
Circuitos equivalentes del transformador. . . . . . . . . . . . . . . . .. 105
3.4
Pruebas de transformador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 116
3.5
Capacitancia del transformador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
3.6
Corriente de irrupción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 124
3.7
Algunos tipos particulares de transformadores
y conexiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 126
Bibliografía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
122
139
Problemas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 139
Capítulo 4 Sistemas electromecánicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 143
4.1
Fuerzas mecánicas debidas a campos magnéticos. . . . . . . . . . . ..
4.2
Conservación y conversión de energía. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 146
4.3
La ecuación de fuerza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 147
144
Contenido 13
4.4
Variaciones de corriente y flujo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 156
4.5
Dinámica de los sistemas electromecánicos. . . . . . . . . . . . . . . ..
4.6
Circuitos eléctricos equivalentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 169
4.7
Sistemas con excitación doble y múltiple. . . . . . . . . . . . . . . . .. 172
4.8
Problemas de valores instantáneos, medios
y R.C.M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
157
Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 174
Capítulo 5 La máquina con conmutador para C.C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 181
5.1
Descripción de una máquina con conmutador en C.C . . . . . . . . ..
182
5.2
Devanados de armadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 190
5.3
Voltaje de armadura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 194
5.4
Par electromagnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
5.5
Configuraciones de máquina con conmutador
en corriente continua. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 201
5.6
Características magnéticas de armadura y de
circuito de campo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 207
5.7
Conmutación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 213
5.8
Pérdidas y eficiencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , 217
5.9
Especificaciones de placa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 221
5.10
Determinación experimental de parámetros de máquina. . . . . . .. 222
5.11
Predicción de características de operación. . . . . . . . . . . . . . . .. 227
5.12
Características de las máquinas de conmutador
en C.C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
5.13
Dinámica de las máquinas con conmutador en C.e. . . . . . . . . . .. 243
198
Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 252
Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 252
14 Contenido
Capítulo 6 Máquinas de inducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 257
6.1
FMMS de los devanados de armadura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 260
6.2
Acción de un motor de inducción polifásico. . . . . . . . . . . . . . .. 266
6.3
Deslizamiento y frecuencia de corrientes de rotor. . . . . . . . . . .. 267
6.4
El circuito equivalente de rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 268
6.5
Desarrollo del circuito equivalente completo. . . . . . . . . . . . . . .. 270
6.6
Cálculos de operación de circuitos equivalentes. . . . . . . . . . . . .. 276
6.7
El circuito equivalente a partir de datos
experimentales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 279
6.8
Criterios de operación de los motores de inducción . . . . . . . . . .. 282
6.9
Control de velocidad en motores de inducción . . . . . . . . . . . . .. 285
6.10
Arranque de motores de inducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 288
6.11
Motores de inducción monofásicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 290
Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 298
Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 298
Capítulo 7 Máquinas síncronas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 301
7.1
Características de construcción de máquinas síncronas ... , . . . . .. 302
7.2
Principio de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 311
7.3
Algunas consideraciones prácticas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 315
7.4
Características de operación
de máquinas síncronas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 318
7.5
Transitorios en máquinas síncronas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 331
7.6
Determinación de las reactancias de máquina . . . . . . . . . . . . . .. 339
7.7
Motores síncronos pequeños. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 341
Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 344
Contenido 15
Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 344
Capítulo 8 Control electrónico de motores eléctricos. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 347
8.1
Aspectos generales acerca del control de motores. . . . . . . . . . . .. 348
8.2
Formas de onda de voltaje y corriente. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 350
8.3
Dispositivos semiconductores de potencia. . . . . . . . . . . . . . . .. 355
8.4
Técnicas de conmutación con SCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 372
8.5
Técnicas de encendido de circuito de base
y de compuerta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 385
8.6
Protección de semiconductor de potencia. . . . . . . . . . . . . . . . .. 391
8.7
Rectificadores controlados en fase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 393
8.8
Controladores de supresor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 409
8.9
Control de motores de C.A .................... , . . . . .. 416
Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o. 427
Problemas .....................................
o.' • • • • • •
o.
429
Capítulo 9 Teoría general de las máquinas eléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
9.1
Objetivos y naturaleza del problema ................... "
9.2
Determinación de las inductancias de máquina . . . . . . . . . . . . .. 436
9.3
Máquina con protuberancia en el estator . . . . . . . . . . . . . . . . .. 445
9.4
Máquina con rotor cilíndrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 446
9.5
Máquina con protuberancia en el rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 448
9.6
Otras transformaciones especiales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 452
9.7
Nota acerca de las transformaciones de tres fases. . . . . . . . . . . .. 458
9.8
la máquina primitiva. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 459
9.9
La formulación en el dominio del tiempo. . . . . . . . . . . . . . . . .. 461
434
Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 473
16 Contenido
Problemas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 474
Apéndice 1 Defmición de símbolos y unidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 475
Apéndice 11 Tabla de alambre imán para conductor cilíndrico
recubierto con una sola película. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 479
Apéndice III Técnicas de computadora en el análisis de sistemas
electromecánicos y de máquinas eléctricas . . . . . . . . . . . . . . . ,
Indice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
483
........ 487
Capítulo 1
Introducción
En este libro se analizan los principios de la electromecánica y sus
aplicaciones al diseño y análisis de motores eléctricos, generadores, transformadores y otros dispositivos electromecánicos. Se abarca una amplia
variedad de disciplinas que van, desde las matemáticas avanzadas y ciencias de la computación, hasta las ciencias físicas y de los materiales, pasando
por diversas fases de la ingeniería mecánica y eléctrica. Asimismo, los dispositivos y sistemas a los que se aplican los principios de la electromecánica
difieren mucho en dimensión, tipo y materiales de construcción, rapidez
de rotación y frecuencia eléctrica y en su aplicación definitiva.
No es necesario resaltar la importancia de los dispositivos electromecánicos en casi todos los aspectos de la vida. En la actualidad, el número
de motores eléctricos en una típica casa particular de los EE. UU. es de 10
como mínimo y en algunas, fácilmente puede exceder hasta 50. Hay un mínimo de 5 máquinas eléctricas rotatorias aun en el más austero de los automóviles compactos, incrementándose este número a medida que se
agregan sistemas para economizar en el combustible y la emisión; en los
aviones existen muchas más. Los dispositivos electromecánicos aparecen
en todo proceso industrial y de manufactura que se lleva a cabo en una
sociedad tecnológica. Muchas máquinas rotatorias han estado en la Luna y
desempeñan una función importante en los sistemas aeroespaciales. Quizá
el lector se sorprenda, pero diariamente hay más personas que se desplazan por medio de propulsión eléctrica -en elevadores y bandas horizontales
móviles- que por cualquier otro medio de propulsión. Los apagones recientes en varias de las ciudades más grandes de los EE. UU. ponen de ma'/~
nifiesto la forma en que casi toda la actividad en las áreas urbanas depende
de las máquinas eléctricas.
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17
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18 Introducción
Este libro trata, por lo tanto, un tema amplio e importante. Es fundamental comprender los principios de la electromecánica para quien desea
aprovechar la utilidad de la teconología eléctrica con objeto de resolver los
problemas de energía, contaminación y pobreza que actualmente afligen a
la humanidad. Ojalá el lector no olvide la utilidad potencial a gran escala
de los dispositivos electromecánicos, aun cuando a veces se confunda con
la teoría y el análisis de los últimos capítulos.
De la breve lista de aplicaciones de las máquinas eléctricas que se dio
anteriormente, se puede concluir que muchas ramas de esta industria están
plenamente desarrolladas y resuelven las necesidades de la sociedad casi
sin requerir de la investigación o el desarrollo avanzado. Por ejemplo, el
motor que se utiliza en el triturador de basura de una casa moderna, es probable que esté diseñado con un programa de computadora relativamente
sencillo y manufacturado mediante un proceso totalmente automatizado.
Los centenares de millones de motores de cronómetros fabricados cada
año están también casi totalmente normalizados, tanto en diseño como en
manufactura y lo mismo se puede decir de muchos tipos de motores industriales.
No obstante, lo anterior sólo es un aspecto del desarrollo electromecánico actual, incluso este e inmóvil estado-del-arte en la manufactura de
motores convencionales puede cambiar drásticamente en un futuro próximo. En un intento reciente por mejorar la eficiencia de los motores de
inducción pequeños usados en hogares, oficinas, negocios y plantas industriales, la Federal Energy Administration (Administración Federal de Energía) estimó, que se pueden ahorrar de uno a dos millones de barriles de
petróleo diarios, si se mejora en un 20% la eficiencia de dichos motores! .
En especial, este intento hace cambios en las dimensiones de los condensadores y en las conexiones de devanado en los motores monofásicos de
inducción.
Continuamente se realizan esfuerzos para mejorar la eficiencia de
tales motores, mediante materiales y diseño perfeccionados, tomando en
cuenta la disponibilidad de los materiales, los aspectos ambientales adversos en la manufactura y el uso de los materiales (en particular de aislantes)
y el costo de la energía en la manufactura de estos materiales. Por ejemplo,
el aluminio posee muchas características eléctricas favorables para su aplicación electromecánica y es uno de los metales más abundantes en la Tierra, pero es uno de los más costosos en función de la energía que utiliza
para procesarlo a partir de materiales en bruto.
Además de los cambios que empiezan a ocurrir en la manufactura y
operación de máquinas convencionales debido a razones energéticas y ambientales, existen multitud de aplicaciones interesantes para configuraciones de máquina nuevas, para la operación desusual de configuraciones
antiguas, para el control electrónico elaborado de todo tipo de máquinas y
para la comprensión progresiva de las teorías y técnicas de diseño, a fin de
Introducción 19
lograr proyectos de máquinas más eficientes y económicas, desde el punto
de vista de la energía. Muchas de las aplicaciones más novedosas implica la
revisión de ciertas máquinas antiguas, como el rediseño de motores de conmutación o la operación de un motor de inducción de una ardilla de jaula
convencional mediante un inversor transistor, para desarrollar un automóvil eléctrico que pueda competir en economía. Otros suponen el diseño de
configuraciones de motor totalmente nuevas, tales como los motores de
c.c. sin escobillas que se han desarrollado para aplicaciones aeroespaciales,
automotrices e industriales.
El control electrónico de las máquinas eléctricas se usa casi desde los
albores de la era electrónica, principiando con los motores controlados en
forma relativamente imperfecta por un rectificador de arco de mercurio.
Sin embargo, con la llegada de los dispositivos de potencia en estado sólido y el rápido progr~so de los circuitos integrados y de los módulos de
computadora de bajo costo, el alcance, la calidad y la precisión del control
de motores carecen prácticamente de límites.
La integración de los dispositivos electromecánicos y los circuitos
electrónicos apenas principia. El ambiente siempre ha sido un reto para el
diseño y operación de las máquinas eléctricas. Por ejemplo, el aislamiento
eléctrico efectivo y confiable fue uno de los problemas más agudos que
afrontaron los primeros diseñadores. Recientemente se han tenido que desarrollar ciertas máquinas rotatorias y otros dispositivos electromecánicos
para un medio determinado, que incluye varios tipos de radiación nuclear
para plantas generadoras de esta energía y para diversos vehículos espaciales. En estos medios se requiere confiabilidad en grado superlativo para las
aplicaciones espaciales. Por último, puesto que las nuevas fuentes de energía adquieren viabilidad económica, se requerirán convertidores electromecánicos con las características adecuadas para adaptarse a tales fuentes
de energía, por ejemplo convertidores solares, molinos de viento, diversas
configuraciones nucleares, procesos de conversión carbón-a-petróleo, sistemas de hidrógeno y otros.
En este capítulo, además de relacionar al lector con las interesantes
posibilidades de un desarrollo avanzado de los dispositivos electromecánicos, se discutirán algunos de los conceptos fundamentales comunes a la
mayoría de los dispositivos electromecánicos, se revisarán los métodos de
análisis que se presentarán en los siguientes capítulos y se darán las clasificaciones principales de las máquinas rotatorias.
Desde luego que en esta breve introducción no se puede ser equitativo con los temas mencionados hasta aquí. El objeto de este libro es presentar los fundamentos de la electromecánica y aplicarlos directamente a ciertas
configuraciones básicas de los dispositivos electromecánicos. Aunque el tema es muy vasto para abarcarlo en estas cuantas páginas, se darán algunas
orientaciones de diseño y algunas "recetas" útiles para el análisis. Se confía que el lector aproveche las referencias que se dan en cada capítulo. Por
20 Introducción
supuesto, que además de estas referencias hay mucho material para aplicar
los conocimientos, por lo que se espera que este libre también estimule la
investigación, en esta área.
1.1 TIPOS DE MAQUINAS ROTATORIAS
Hay cuatro clases principales de máquinas rotatorias: máquinas de
conmutación c.c., de inducción, síncronas y de colector polifásico. Existen
varios tipos más de máquinas que no se pueden incluir dentro de ninguna
de estas clasificaciones. Algunas de las más recientes incluyen motores de
escalonamiento: en general, máquinas síncronas operadas de manera digital; motores de par de torsión: máquinas de conmutación c.c. o síncronas
sin escobillas, operadas para proporcionar par (cero o baja velocidad); máquinas homopolares: que constituyen una variante del principio del genador de disco de Faraday y que se usan para suministar bajo voltaje y alta
corriente para cargas de galvanoplastia 2 y máquinas electrostáticas, que se
ubican en una categoría diferente de teoría y práctica respecto a las máquinas electromagnéticas que se analizan en este libro 3 •
1. Máquinas de conmutación de c.c. Por lo común se les conoce precisamente como "máquinas de c.c." y se distinguen por el dispositivo de conmutación mecánico conocido como conmutador; se
utilizan ampliamente en tracción y aplicaciones industriales, se analizarán en el capítulo 5.
2. Máquinas de inducción. El motor de inducción es el llamado "caballo de batalla" de la industria, aunque también es el motor que
más se utiliza en hogares y oficinas. Es sencillo, resistente y durable, lo que determina su gran aceptación en casi todos los aspectos
de la tecnología. Puede operarse como generador y es así como se
usa en varias aplicaciones aeroespaciales e hidroeléctricas. El motor
de inducción, en virtud d€ su estructura simple de rotor, puede
operar a muy alta velocidad. En la figura 1.1 se muestra un motor
de inducción aeroespacial, que opera a una velocidad angular de
64.000 rpm cuando se alimenta con una fuente de 3,200 Hz. (Ver
capítulo 6).
3. Máquinas síncronas. La máquina síncrona es probablemente la
configuración más diversificada de máquina, siendo difícil con frecuencia identificar las numerosas variaciones que puede adoptar.
El término síncrono se refiere a la relación entre la velocidad y frecuencia de esta máquina, que se expresa con la ecuación (ver capítulo 7).
f
Ipm= 120-
p
(1.1)
Tipos de máquinas rotatorias 21
donde
rpm
f
p
= velocidad de máquina en revfmin.
= frecuencia de la fuente aplicada en Hz.
= número de polos en la máquina.
Una máquina síncrona opera sólo en una velocidad síncrona, mientras que
una de inducción, denominada a menudo asíncrona, lo hace con velocida-
FIGURA 1.1 Ilustración de los elementos dispersos de un motor de inducción de 5 caballos, 5 libras, a 3,200 Hz y 62,000 rpm, con utilizaciones aeroespaciales (cortesía de la Garrett Corporation)
22 Introducción
FIGURA 1.2 Corte longitudinal de un generador a turbina enfriado por agua
(cortesía de Brown, Boveri Company).
des menores a las síncronas. Hoy día son de uso común una amplia variedad
de máquinas síncronas:
a. Convencional. Es la máquina síncrona normal (que se analiza en el
capítulo 7) y que requiere una fll.ente de excitación de c.c. en su
rotor. Es la que se utiliza en la mayor parte de las estaciones centrales de las plantas generadoras (le electricidad (en calidad de generador) y en numerosas aplicfciones de los motores de bombas,
compresores, etc. En la figura 1.2 se muestra un corte longitudinal del generador de un estación central.
b. De reluctancia. Es una máquina convencional sin la excitación de
campo de c.c. y se analiza en los capítulos 4 y 7. Es una de las configuraciones de máquinas más simples y se utilizó recientemente en
los casos reservados por tradición, a los motores de inducción. En
muy bajas potencias, se usa en relojes eléctricos, sincronizadores y
aparatos de grabación.
c. De histéresis. Esta configuración, como la de reluctancia, sólo requiere una entrada eléctrica (de excitación monofásica). El rotor
de un motor de histéresis es un cilindro sólido construido con materiales de imán permanente. Los motores de histéresis se usan en
relojes eléctricos, tomamesas de fonógrafo yen otros aplicaciones
de velocidad constante. Estos motores, recientemente se usaron en
casos que requerían una salida de potencia mayor, como los impulsores centrífugos.
d. De rectificador rotatorio. Esta configuración, en su ejecución es
idéntica a la máquina síncrona convencional, salvo que la excitación
Tipos de máquinas rotatorias 23
de campo se suministra por un generador auxiliar de c.a. y por rectificadores localizados en el miembro rotatorio.
e. De inductor y conmutador de flujo. Son motores y generadores sÍncronos sin escobillas que se utilizan en diversas aplicaciones aeroespaciales y de tracción. Al igual que la configuración de reluctancia!
las de inductor y conmutador de flujo operan en base a un principio
de reluctancia variable. Esta reluctancia, como función de la posición del rotor, se obtiene mediante el diseño del rotor. La figura 1.3
ilustra la construcción del rotor de un alternador inductor y la 1.4
una máquina de inductor totalmente armada.
f. De Lundell. Esta configuración se usa en alternadores de automóvil
y probablemente es el tipo más común de máquina síncrona (su
volumen es superior al de motores de reloj). Carece de escobillas,
aunque requiere de un anillo colector para el suministro de alimentación de c.c. a su campo. La máquina de Lundell también opera
en base al principio de reluctancia magnética variable debida a la
construcción del rotor.
g. De Beckey -Robinson y Nadyne Rice. Son máquinas síncronas sin
escobillas, que dependen para su operación de las estructura mag-
FIGURA 1.3 Rotor de una máquina de inductor de tipo Lorentz, especificada
para 100 kVA y 120,000 rpm (cortesía de The Garrett Corporation)
24 Introducción
FIGURA 1.4 Alternador inductor de tipo Lorentz, de 12 polos, para 520
kVA, 3,900 rpm, armado totalmente (cortesía de The Garrett Corporation).
nética del rotor (reluctancia variable). Se han utilizado en muchas
aplicaciones aeroespaciales.
h. De imán permanente. Es una máquina síncrona convencional, en
la que la excitación de campo la suministra un imán permanente
(PM: "permanent magnet") en lugar de una fuente de energía eléctrica. Dispone del potencial para gran rendimiento de energía, ya
que no hay pérdidas de campo y puede construirse por general, a
bajo costo. En la figura 1.5 se da el ejemplo de un rotor de alternador de imán permanente, usado en modelos aeroespaciales.
El gran rendimiento es una característica de la máquinas PM, sin embargo, para alcanzar niveles de potencia relativamente altos, estas máquinas
requieren de un tipo de imanes permanentes que en la actualidad son relativamente costosos, como los de aleaciones cobalto-platino y cobalto-tierra rara. Además, la excitación de campo fija de una máquina PM elimina
un elemento de control, que es una de las principales ventajas de las máqUinas síncronas sobre las de inducción: el control de campo.
Tipos de máquinas rotatorias 25
4. Máquinas de colector polifásico. La forma común de máquinas de
inducción se conoce como máquina de inducción de rotor devanado o de anillos colectores. En esta variante se sustituyen las barras
de jaula de ardilla y los aros de cortocircuito por devanados convencionales que duplican, fundamentalmente, los devadados en el
estator. Las terminales de estos devanados se sacan para las conexiones externas mediante anillos colectores o "colector polifásico".
FIGURA 1.5 Rotor para una máquina de imán permanente de 60 kVA,
30,000 rpm, ilustrando una máquina con usos aeroespaciales, en las que se requieren alta eficiencia y potencia específica elevada (W por kg) (cortesía de
The Garrett Corporation).
26 Introducción
Al excitar estos devanados de rotor en diferentes maneras, se logra
una variedad amplia de características de máquina. La excitación
debe estar a frecuencia y voltaje prescritos, relacionados con la diferencia de velocidades entre el rotor y el estator de la máquina.
La excitación se inyecta al circuito de rotor a través del colector.
Las características de velocidad variable en un amplio rango se pueden
obtener con máquinas de colector polifásico -los primeros motores de c.a.
de verdadera velocidad variable- que aún se usan para esta aplicación, especialmente en Europa. Por otra parte, el desarrollo de dispositivos electrónicos de bajo costo para control de voltaje y frecuencia de estator en
motores de inducción de jaula, de conmutador de c.c. y motores síncronos
ha restado importancia a las máquinas de colector polifásico.
1.2 EFICIENCIA, ENERGIA Y PERDIDAS
Un factor importante en las aplicaciones de los dispositivos electromecánicos de todo tipo, es la eficiencia de ese dispositivo. La eficiencia puede
tener diferentes significados en diversos sistemas físicos. De hecho, puede tener un sentido llano accesible, que se usa en las conversaciones cotidianas,
como "qué tan bien se hace una tarea específica". En los sistemas mecánicos se usan las eficiencias térmica y mecánica, que describen la eficiencia
de dos fases de un proceso dado, así como eficiencias "ideales". En los sistemas eléctricos que se discutirán en este libro el rendimiento se usa con
un solo significado:
r¡
=
potencia o energía de salida
(1.2)
potencia o energía de entrada
La relación anterior también se puede expresar según las pérdidas mecánicas y eléctricas, y en función de energía o potencia, de la siguiente
manera:
r¡
salida
salida + pérdidas
=
entrada - pérdidas
(1.3)
entrada
, Las unidades del Sistema Internacional de potencia son watts, abreviados como W; para la energía, joules (J), watt-seg (Ws) o watt-hora (Wh).
El aprovechamiento de energía o rendimiento de una máquina eléctrica crece en importancia y es uno de los principales criterios de diseño actualmente. Es pues de transcendencia saber cómo calcular el numerador y
denominador de las ecuaciones anteriores. En los dispositivos electromecánicos, tanto el numerador como el denominador son potencia o energía
Eficiencia, energía y pérdidas 27
mecánica. La potencia mecánica de una máquina rotatoria puede
se como:
c~xpresar­
(l.4)
donde
T p ro m = par de flecha en newton-m
n prom =
velocidad de flecha en radjseg.
Para la parte eléctrica de la máquina, la potencia se expresa como
( sinusoidal)
(1.5)
ó
Pe = V prom
I prom (c.c.
O
pulso)
donde
v = voltaje terminal en volts
1
=
corriente terminal en amperes
e = ángulo del factor de potencia
En las ecuaciones anteriores y a través del libro, los parámetros rcm
(valores raíz cuadrático medio) se designan con mayúsculas, sin subíndices;
parámetros promediados en el tiempo se denotan con mayúsculas con subíndice "prom". La potencia calculada en estas ecuaciones es potencia
promedio. Es bastante frecuente tener cantidades instantáneas en los segundos miembros de estas ecuaciones, en cuyo caso se usarán minúsculas y
la potencia en los primeros miembros se denominará potencia instantánea.
Es común el uso de potencias promedio e instantánea en el análisis de sistemas electromecánicos. La energía W es la integral en el tiempo de la potencia; es decir
w=
f pdt
(1.6)
y sus unidades son joules o watt-seg en el sistema internacional (SI).
A menudo, es necesario calcular la eficiencia en función de la energía
y no de potencia, ya que la eficiencia de la mayor parte de los dispositivos
electromecánicos varían en un intervalo amplio como función tanto de la
velocidad como del par mecánico o carga. Para las máquinas que operan en
condiciones muy diferentes de velocidad y par, tales como los motores de
tracción o las que funcionan en base a un "ciclo de rendimiento" de niveles
28 Introducción
de par y velocidad variables durante cierto lapso, su eficiencia en función
de energía. La expresión general para la eficiencia en energía o en potencia
es la misma, como lo demuestra (1.2).
1.3 VALORES Y PROMEDIO RAIZ-CUADRATICO-MEDIO
Los dispositivos electromecánicos operan frecuentemente con parámetros de entrada y/o salida con formas de onda irregulares. El uso de la
palabra "irregular" implica que debe definirse lo que es regular. Las formas
de onda regulares en los sistemas electromecánicos son continuas de c.c. o
sinusoidales de c.a. y muchas de las características de los materiales usados
en dispositivos electromecánicos se definen en función de estas formas de
onda. Sin embargo, ciertos parámetros en esos dispositivos, tales como la
corriente de excitación en los transformadores y en motores de inducción,
no se ajustan a esas formas de onda regulares, aun cuando la señal aplicada
sea regular. Con el uso del control electrónico muchos otros parámetros
llegan a ser irregulares. Por lo tanto, es de utilidad saber cómo calcular valores rcm y promedios de formas de onda irregulares para el análisis
de sistemas electromecánicos. El cálculo de los valores rcm puede encontrarse en la mayoría de los textos de circuitos eléctricos, aunque para mayor comodidad aquí se repite:
(1.7)
donde
a
7
t
= valor instantáneo del parámetro
=
lapso durante el cual va a calcularse el valor rcm
= tiempo, en seg.
El valor promedio de un parámetro debe definirse con más cuidado;
en las funciones periódicas, el término "promedio" se refiere al promedio
de media onda, definido como
A pmo = -2L"/2a dI
o
'T
(1.8)
donde 7/2 = medio período de una función periódica. No obstante, también es común referirse al promedio en el tiempo de un parámetro definido
dentro de un lapsó arbitrario T o ' en lugar de en un medio período:
1 (To
Jo a dI
o
Aprom= T
(1.9)
Métodos de análisis 29
Estos conceptos son de particular importancia en el análisis de máquinas excitadas mediante sistemas de control electrónico, como se ve en el
capítulo 8.
1.4 METODOS DE ANALlSIS
Un dispositivo electromecánico es en sí mismo un "sistema", ya que
por lo general está constituido por varios circuitos eléctricos y magnéticos.
Existen diversos métodos analíticos que son de utilidad para el análisis de
dispositivos electromecánicos:
1. Análisis con sistemas matemáticos usando ecuaciones diferenciales convencionales o ecuaciones de estado: estos medios se utilizan en los capítulos 4 y 9 Y en ciertas secciones de otros capítulos.
2. Teoría del campo magnético: se desarrolla en el capítulo 2 y se aplica en
muchas configuraciones de capítulos posteriores.
3. Teoría de los circuitos eléctricos: la mayor parte de los dispositivoselectromecánicos puede representarse con circuitos eléctricos equivalentes.
Este método es el más útil en la simulación de funcionamiento de dispositivos mediante técnicas de modelos en computadora.
4. Método de diseño y aplicación: esta es una técnica cuasimatemática usada en el diseño y aplicación de dispositivos electromecánicos. Aprovecha
mucho de los resultados de los métodos más rigurosos descritos anteriormente, aunque introduce además muchas "recetas" con base en la experiencia, aspectos geométricos y análisis térmico.
Todos estos métodos son válidos y se estudiarán en las siguientes secciones de este libro.
Existen muchos aspectos comunes a las diversas configuraciones de
máquinas rotatorias descritas en la sección 1.1. Los más evidentes son probablemente los principios básicos, esforzándose los analistas por expresar
este hecho en forma matemática. 4,5,6 Este recurso , conocido como teoría
de la máquina generalizada, es una hermosa descripción de la forma matemática y geométrica de los dispositivos electromecánicos y de los aspectos
comunes entre las diversas configuraciones de máquinas rotatorias.
Las limitaciones de la teoría de la máquina generalizada y el hecho de
que este recurso en suma matemático, no sea capaz de describir muchos
de los aspectos físicos, estructurales y magnéticos de los dispositivos electromecánicos reales, tan importantes en su diseño y aplicación son la necesidad de métodos matemáticos relativamente avanzados para su cabal
utilización. El capítulo 9 de este libro presenta una introducción a esta parte importante de la teoría.
30 Introducción
El análisis de dispositivos electromecánicos por medio de la teoría de
circuitos también es de utilidad, especialmente en la simulación por computadora de sistemas eléctricos que contengan dispositivos electromecánicos. Más adelante se verá que la mayoría de los dispositivos pueden
representarse mediante redes eléctricas y mecánicas relativamente sencillas, aunque existen restricciones en el intervalo de los parámetros de
operación dentro del cual estos son válidos para dichas redes. El método
común de la "caja negra", puede usarse con la mayor parte de los dispositivos electromagnéticos tan ampliamente como en el análisis de circuitos
electrónicos. Esto se aplica particularmente al transformador, que no posee
"puertos" mecánicos en su caja negra. A menudo, los transformadores se
representan como una inductancia mutua simple tal como se refiere en el
capítulo 2.
El riesgo de los dos métodos de análisis, el de la teoría de la máquina
generalizada y el de la teoría de los circuitos, es que las restricciones físicas
que ocurren en todos los dispositivos electromeéanicos rara vez pueden
presentarse adecuadamente. Todos estos dispositivos se "saturan" de una
manera u otra; esto es, están limitados en su intervalo de operación por
máximos térmicos, magnéticos o estructurales o bien, por una conmutación satisfactoria. Además, pueden existir diferencias de fondo en la representación del modelo requerido, en función de la carga de dispositivo,
aun dentro de los límites anteriores. Además, la mayoría de los dispositivos electromecánicos son sensibles a la frecuencia y la mayor parte de los
modelos son válidos sólo en un intervalo limitado de frecuencias. Por consiguiente, para comprender bien un dispositivo electromecánico es preciso estudiar la física del dispositivo y la descripción matemática del mismo.
Este método, que se adoptará en este libro, se describe en la siguiente sección.
1.5 METODO DE ACCESO
Los capítulos 2 y 4 tratan la teoría general referente a la mayoría de los
sistemas y dispositivos electromecánicos. Los capítulos restantes se ocupan
de las principales configuraciones de máquinas rotarorias y transformadores.
En estos capítulos se usa el siguiente método general:
1. Descripción de la configuración. Se describirá la configuración fundamental y se presentarán, en términos generales, las aplicaciones y características.
2. Descripción de los aspectos físicos y estructurales. Se darán algunas
orientaciones en el diseño de dispositivos, con referencias para realizar
estudios de diseño posteriores.
Limitaciones en dispositivos electromecánicos 31
3. Desarrollo de principios electromecánicos. Se deducen y aplican los principios pertinentes a una configuración específica.
4. Desarrollo de modelos físicos, magnéticos y de circuitos.
5. Aplicación de principios y modelos en el análisis de las características
principales de ejecución. Esto incluye potencia, par, eficiencia, voltaje y
regulación de velocidad, funcionamiento transitorio y otros.
6. Discusión de limitaciones en ejecución de dispositivos prácticos.
7. Técnicas de simulación en computadora y analítica útiles para el diseño
y análisis de la configuración.
8. Descripción de diversas máquinas prácticas que abarcan la configuración
básica.
1.6 CAPACIDADES Y LIMITACIONES EN DISPOSITIVOS
ELECTROMECANICOS
Ya se habrá observado que cualquier dispositivo electromecánico --así como todo sistema físico, incluso el cuerpo humano- tiene limitaciones en su
funcionamiento. A esta limitación se le llama saturación, ya que indica que
existe un límite superior sobre cuál no puede aumentar un parámetro. La
saturación de los materiales ferromagnéticos (que se discute en el capítulo
2) y de los amplificadores electrónicos es un ejemplo sumamente descriptivos de esta característica.
En los dispositivos electromecánicos existen otras limitaciones que
por lo general, no se ajustan a esta característica tan bien conocida y que se
traducen en daños físicos para el dispositivo. Se trata de límites térmicos,
de rotación y de conmutación. El más sencillo y obvio de estos límites es
el de rotación, constituido por la velocidad de rotación, a la cual el elemento rotatorio se fractura en partes que principian a volar por separado. La
velocidad de régimen de un dispositivo rotatorio se encuentra muy por debajo de este límite estructural y de soporte (generalmente un 50% o menos) y lo determinan la frecuencia, el voltaje y potencia a las que va a operar
la máquina. El límite fundamental en potencia de las máquinas rotatorias
y transformadores es de tipo térmico. Las capacidades de clases normales
de máquinas y transformadores se fundamentan en este límite, establecido
por lo general en función de una elevación de temperatura superior a la
ambiental. La máquina y los transformadores, a diferencia de los componentes electrónicos, tienen una masa térmica grande y una constante de
tiempo térmica muy prolongada. Hay, por consiguiente, una capacidad de
sobrecarga considerable (en exceso de la potencia nominal) en la mayoría
estos dispositivos electromecánicos.
Los motores normales y los transformadores (usados en aparatos eléctricos, procesos industriales, etc.) se especifican en función de su operación
continua o ciclo de rendimiento. Para cada dispositivo de este tipo, tam-
32 Introducción
bién existen regímenes de sobrecarga o de tiempo límite, que pueden obtenerse del fabricante. A menudo, en los motores de aparatos eléctricos, estos
regímenes son un poco mayores a los ciclos de rendimiento especificados
para operación continua. Por otra parte, en los motores industriales de c.c.
es posible una sobrecarga de un minuto, de 2.5 a 4 veces mayor que la especificación para operación continua; en el capítulo 5 se discute la designación de especificaciones de placa para capacidades.
El límite de conmutación en máquinas de conmutador es la limitación
más complicada y menos normalizada. Este límite es un poco subjetivo y
está relacionado con la chispa y fuego anular que se presenta en el conmutador. Depende en gran medida del ambiente (presión atmosférica, humedad, contenido de partículas en el aire) y de la velocidad, voltaje y nivel
relativo de la excitación de máquinas.
El límite de conmutación se traduce en uno de las pocas fuentes de
contaminación de las máquinas rotatorias; ioniza el aire y produce ozono,
pudiendo causar además una radiación electromagnética grave. Es probable
que muchos de los lectores de este libro estén haciendo algo por encontrar
métodos para reducir estos contaminantes luego de que el gobierno dio a
conocer el nuevo reglamento al respecto. Los aspectos de la conmutación
se discuten con detalle en el capítulo 5.
La dimensión física de las máquinas rotatorias estándar se designa por
la dimensión de su estructura. Estas dimensiones las especifica una agencia
de normalización conocida como National Electrical Manufacturing Association (NEMA)7. Las dimensiones de estructuras para una capacidad de
potencia dada se reducen continuamente, a medida que se dispone de nuevos materiales con mejores características térmicas y magnéticas.
El límite térmico de las máquinas rotatorias y transformadores lo establece, principalmente, el tipo de conductor que se usa en sus devanados;
en los dispositivos electromecánicos se usan conductores de cobre y aluminio, aunque el más común es el alambre magneto de cobre. En el apéndice II se muestra la tabla de alambres con las designaciones del American
Wire Gauge (AWG) para calibres de alambres magneto utilizados en aplicación electromecánica.
1.7 ASPECTOS ECONOM ICOS
No obstante que la economía siempre ha sido un aspecto de importancia
en el uso de transformadores y máquinas rotatorias, este texto se concentra
principalmente en la teoría y características técnicas de estos dispositivos.
En el uso de las máquinas rotatorias, el costo total de instalación de la máquina es muy significativo- incluyendo el sistema de control de las partes
eléctrica y mecánica de la máquina, la fuente de potencia eléctrica, los
medios para conectar la flecha de la máquina a la carga o máquina impul-
Aspectos económicos 33
sara, el equipo de control térmico y el equipo de montaje y empaquetado.
El costo y complejidad de estos equipos auxiliares influye frecuentemente
en la selección de la máquina que va a usarse para una aplicación concreta.
El costo inicial de una instalación de máquina también se puede balancear con los costos de energía necesarios para operar la máquina y con
los costos de mantenimiento. Con el uso de un sistema menos eficiente,
el costo inicial más elevado de un motor y sistema de control eficientes, a
menudo se compensa con los ahorros en costos de energía, en un lapso
breve. En comparación, este tipo de ventaja económica tiene mayor significado en la era actual cuando los costos de energía van en ascenso. Las
restricciones ambientales, que tienen una importancia creciente, son otros
de los factores prácticos que deben tomarse en cuenta al escoger una máquina para determinado uso. En las instalaciones de máquinas, se tiene
especial cuidado con el ruido proveniente de las máquinas rotatorias y de
su sistema de control.
Con el objeto de comprender, evaluar y tomar decisiones respecto a
la economía, energía y utilidad ambiental de los dispositivos electromecánicos, es fundamental conocer los principios y teoría de la electromecánica.
Bibliografía
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York,1959.
7. NEMA, "Motors and Generators", Publicación No. MG 1-1967, National EleetricaJ
Manufacturers Association, Nueva York, 1967.
Capítulo 2
Circuitos
magnéticos de C.A.
yC.C.
estacionarios
El elemento esencial en todas las máquinas rotatorias y en los dispositivos electromecánicos de tipo electromagnético, es un sistema electromagnético. La función de este sistema es establecer y controlar los campos
electromagnéticos para realizar el proceso de conversión de energía, transferencia o procesamiento de energía. Para explicarlo de manera concisa,
un sistema electromagnético está formado por circuitos eléctricos localizados en un espacio y diseñados con una geometría muy específica para
establecer las relaciones que requiere el campo electromagnético. Es posible describir y analizar muchas de las funciones y características de operación de un sistema electromagnético en base a estos circuitos eléctricos,
partiendo de la teoría convencional de los mismos. Sin embargo, para
comprender el proceso de conversión de energía y ser capaz de determinar
los parámetros de los circuitos eléctricos de una máquina eléctrica, es necesario entender el campo electromagnético de la máquina y relacionarse
con los términos y expresiones analíticas utilizados para describir este campo. Además gran parte del proceso de diseño de una máquina o un dispositivo electromecánico se basa en el diseño del sistema magnético. El
propósito de este capítulo es revisar la importancia de estos principios en
el diseño y análisis de máquinas eléctricas.
Existen varios conceptos importantes de la teoría básica del campo
electromagnético que se deben tener presentes en este estudio acerca de los
campos electromagnéticos para su aplicación a los conversores de energía
electromagnética.
1. El término campo, es un concepto que se usa para describir una distribución de fuerzas en un espacio. El campo eléctrico mide la fuerza sobre
la unidad de carga eléctrica: el electrón. El campo magnético describe la
35
36 Circuitos magnéticos de C.A. y
c.c. estacionarios
fuerza sobre un dipolo magnético. Las máquinas y los dispositivos electromecánicos de tipo electromagnético producen fuerzas o pares de fuerza
que resultan de la presencia del campo de fuerzas magnéticas. Hay una clase de máquina eléctrica, conocida como máquina electrostática, cuya fuerza
resulta de la existencia de campos eléctricos, pero no se hablará de ella en
este texto.
2. Los campos son un fenómeno tridimensional en el espacio y su
análisis y comprensión requieren cierta capacidad para visualizar conceptos
abstractos. De aquí se infiere que las características geométricas son de importancia en la aplicación de los campos de fuerza para la producción de
fuerzas útiles. El movimiento rotatorio es consecuencia de una conformación rotatoria de campos megnéticos en esta clase de máquinas. Existe
otro tipo de máquinas y dispositivos en los que el movimiento lineal proviene de una distribución lineal de campos magnéticos.
3. Un análisis tridimensional riguroso de un campo es sumamente
complicado; implica mucho tiempo y requiere muchísima información de
computadora, cuando se la utiliza en el método de análisis. Por fortuna, dada la propiedad de los campos conocida como simetría, el análisis tridimensional raras veces es necesario. Los aspectos de simetría permiten resolver
un problema tridimensional en dos o aun una dimensión, dentro de un
espacio limitado, simplificando así el análisis y las dificultades de concepto.
Gran parte del trabajo del análisis de mr,quinas y dispositivos electromecánicos radica en la identificación de 1;1 simetría, de sus campos. Por fortuna, los primeros investigadores soluc :onaron el problema de la mayoría
de las configuraciones comunes aunql:.e una nueva configuración es un reto tentador.
Las pruebas para la simplificación por simetría giran alrededor de las
respuestas a dos preguntas: a) ¿Cuáles componentes de las coordenadas dimensionales del campo no existen? y b) ¿Con cuáles coordenadas dimensionales no varía el campo? Estas pruebas se aplicarán posteriormente a
ejemplos en este capítulo. Probablemente el más simétrico de los dispositivos electromecánicos sea un transformador con núcleo toroidal (en forma
de dona) y con devanados distribuidos (esto es, devanados distribuidos uniformemente alrededor de la del toroide). Imagínese que hace un corte
transversal del núcleo, que lo "rebana" no importa en qué parte de la circunferencia, seguramente las relaciones de campo magnético a través de la
sección transversal de esta rebanada son las mismas, puesto que no se observa un cambio ni en la geometría, ni en el devanado de la circunferencia del
toroide. Por consiguiente, se puede examinar el campo magnético en base
a esta sección transversal de dos dimensiones.
4. El tipo de matemáticas usadas para describir un campo depende de
la elección de las coordenadas dimensionales. La mayor parte de los matemáticos ven, piensan y aún sienten, desde el punto de vista de las coorde-
Revisión de la teoria del campo electromagnético 37
nadas cartesianas (rectangulares) ; pero por lo general las máquinas rotatorias
se describen mejor mediante coordenadas cilíndricas.
Las ecuaciones de campo, para sistemas descritos por coordenadas
cartesianas, son de la clase conocida como ecuaciones lineales homogéneas,
con las que casi todos conocemos bien. En sistemas cilíndricos, las ecuaciones se traducen en una forma conocida como ecuación de Bessel. Son
menos comunes, aunque las tablas numerosas de las funciones de Bessel
que existen ahora y la disponibilidad de rutinas de computadoras para manejar las funciones de Bessel permiten que esta forma de matemáticas se
trata casi con la misma facilidad que si se usaran coordenadas cartesianas.
El tercer conjunto de coordenadas, las esféricas, se aplica relativamente a
pocas configuraciones de dispositivos electromecánicos y no se tratará en
este libro.
Otro conjunto de coordenadas es privativo del estudio de maquinaria
eléctrica e introduce un cuarto concepto dimensional: el movimiento. Es
un medio para relacionar las cantidades eléctricas y magnéticas de un rotor
en movimiento con el circuito eléctrico estacionario conectado al estator
de la máquina.
2.1 REVISION DE LA TEORIA DEL CAMPO ELECTROMAGNETICO
El análisis de las máquinas eléctricas y de los dispositivos electromecánicos
principia, lógicamente, con la adaptación de las ecuaciones de Maxwell a la
simetría espacial específica y a los coeficientes asociados a esta clase de
sistemas. Este análisis se iniciará empleando notación vectorial, ya que es
fundamental para determinar varios parámetros direccionales de voltaje
inducido, fuerza, par y otros. Después de establecer estos aspectos direccionales, se usará la notación escalar. En todas las ecuaciones se emplea
el sistema Internacional de Unidades, algunas veces denominado sistema
MKS racionalizado. En sistemas magnéticos están muy difundidos otros
dos sistemas: el CGS y el inglés. En el apéndice 1 se dan las relaciones entre
estos sistemas. Para evitar equivocaciones, el símbolo K indica un vector,
a menos que se indique lo contrario, se supone que se aplica a las coordenadas cartesianas. Las ecuaciones de Maxwell que rigen los fenómenos
electromagnéticos en cualquier punto del espacio se expresan como
V·B=O
V·D=p
VxH=J+ élD
élt
élB
VxE=--
nt
(2.1)
38 Circuitos magnéticos de C.A. y C. C. estacionarios
Como se dijo antes, en casi todos los sistemas electromagnéticos la distribunción de carga p y la densidad de flujo de campo eléctrico D pueden
considerarse extremadamente pequeños y, por lo tanto, omitirse. Es posible modificar las tercera y cuarta ecuaciones mediante el teorema de Stokes
y escribirlas en su "forma integral", aplicable a una región del espacio:
~H.dL=I
~E.dL= -
(2.2)
f aa~
·dS
(2.3)
s
Estas dos ecuaciones se conocen como ley de Ampére y ley de Faraday
respectivamente, llamadas así en honor a los dos científicos que comprobaron experimentalmente, por primera vez, estas relaciones.
Es de suma importancia observar los parámetros direccionales descritos por la notación vectorial en esas ecuaciones, pues son las bases de las
reglas de las "manos izquierda y derecha", utilizadas en el análisis de las máquinas.
Una tercera relación significativa de campo es la ecuación de fuerza
de Lorenz
dF=IdLxB
(2.4)
donde 1 es la corriente que fluye por un conductor diferencial de longitud
dL. Una aplicación sencilla de (2.4) es integrar esta fuerza diferencial en
un volumen en el cual la corriente fluya en un conductor y la densidad de
flujo B sea uniforme:
F=~IdLXB
=ILxB
(2.5)
= BIL sin ea F
donde e es el ángulo entre la dirección del conductor y el campo magnético. En muchas configuraciones de máquina este ángulo es de 90° , dando que
F=BLI
(2.6)
que es la conocida regla BU que se usa en el análisis de máquinas.
La ley de Biot-Savart se usa en muchas configuraciones de máquinas
o de dispositivo no ordinarias:
1 dLxa R
dH=----,4'7TR 2
(2.7)
Materiales magnéticos 39
Esta ley describe la intensidad de campo magnético dH en un punto del
espacio, debida a un elemento de corriente de longitud diferencial dL que
lleva una corriente 1, situada a una distancia R en la dirección aR (a partir
del elemento de corriente). En forma integral, la ley de Biot-Savart queda
como
(2.8)
2.2. MATERIALES MAGNETICOS
En el espacio libre B y H están relacionadas por la constante f.1o , conocida
como la permeabilidad del espacio libre:
(2.9)
y
fLo=4'7TX
10- 7 henry/m
El valor de f.1o aquí es el del sistema de unidades SI. En este sistema, la
unidad de B es el Tesla y H se expresa en Amperefm. Dada que aún es
frecuente que ciertas características de los materiales se expresen en unidades CGS o en unidades inglesas, en el Apéndice 1 se dan las unidades
para (2.9) en estos dos sitemas.
Dentro de un material debe modificarse la ecuación (2.9) para decribir
un fenómeno distinto al que ocurre en el espacio libre:
B=fLH
(2.10)
donde f.1 es la permeabilidad y f.1R la permabilidad relativa, una constante
adimensional. La permeabilidad en un medio material, definida por (2.10),
sólo es aplicable a regiones de materiales homogéneos (calidad uniforme) e
isotrópicos (que posean las mismas cualidades en cualquier dirección). Para los materiales que no tienen estas características, /1 es un vector (más que
tensor). Por último, se debe tener en cuenta que para algunos materiales
usuales, (2.10) es no lineal y f.1 varía con la magnitud de B. Esto conduce
a varias subdefiniciones de permeabilidad relacionadas con la característica no lineal B-H del material, que se discutirán más adelante.
Un material se clasifica por la naturaleza de su permeabilidad relativa
f.1 R , que en realidad se relaciona con la estructura atómica del material, pero no se estudiará con profundidad en esta obra. La mayoría de los materiales no magnéticos se clasifican como paramagnéticos, en los cuales f.1 R
40 Circuitos magnéticos de C.A. y
c.c. estacionarios
es ligeramente mayor a 1.0, o bien como diamagnéticos, en los cuales /l R es
un poco menor a 1.0. Sin embargo, en la práctica, /lR se considera igual a
1.0 para todos estos materiales.
Existe un caso interesante de diamagnetismo que adquiere importancia en ciertos dispositivos electromagnéticos. Se trata del "diamagnetismo
perfecto" (efecto Meisner) que se presenta en los materiales conocidos como superconductores, a tempe~aturas cercanas al cero absoluto. En tales
materiales, B --* O Y /lR es esencialmente nula; es decir, no puede establecerse un campo magnético en el material superconductor. Este fenómeno
tiene varias aplicaciones potenciales, por ejemplo, en máquinas rotatorias
y en dispositivos de conmutación.
Las propiedades magnéticas de la materia se relacionan con la existencia de dipolos magnéticos en la misma. Tales dipolos aparecen en materiales paramagnéticos, pero como se señaló antes, el magnetismo resultante
es tan débil que se les clasifica como materiales no magnéticos. Hay varias
clasificaciones adicionales de materiales que presentan grados mayores de
magnetismo, aunque en este texto sólo se discutirán en detalle dos: materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos. Los materiales ferromagnéticos
se subdividen además en duros y blandos, correspondiendo esta clasificación a la dureza física de los materiales. Los materiales ferromagnéticos
blandos incluyen a los elementos: hierro, níquel, cobalto y un elemento
de tierra rara; agrupan también a la mayor parte de los aceros blandos y a
muchas aleaciones de los cuatro elementos. Los materiales ferromagnéticos
duros incluyen a los materiales de imán permanente, como los alnicos, algunas aleaciones de cobalto con elementos de tierras raras, aceros, cromo,
ciertas aleaciones de cuproníquel y muchas otras aleaciones metálicas. Los
materiales ferrimagnéticos son las ferritas y están compuestas de óxido de
hierro, con fórmula Me O Fe 2 0 3 , donde Me representa un ion metálico.
Se subdividen a su vez en ferritas duras y blandas, las primeras son las ferritas magnéticas permanentes, generalmente ferritas de bario o estroncio.
Las ferritas blandas incluyen a las de níquel -cinc y manganeso- cinc y se
utilizan por lo general, en los dispositivos de microondas, líneas de retardo,
transformadores y otras aplicaciones de alta frecuencia. Hay una tercera
clase de materiales magnéticos con creciente importancia, está formada
por partículas de hierro en polvo o de otros materiales magnéticos suspendidos en matrices no ferrosas como resina epóxica o plástico. Las partículas
de hierro en polvo o superparamagnéticos, se forman por técnicas de moldeo a compresión o inyección y se usan mucho en transformadores electrónicos y en calidad de núcleos para inductores. El permalloy (polvo de
molibdeno-níquel-hierro) es uno de los materiales en polvo que se elaboraron primero y de los más conocidos.
Son muchas las propiedades magnéticas de estos materiales importantes para el estudio de los sistemas electromagnéticos: permeabilidad en varios niveles de densidad de flujo, densidad de flujo de saturación, H en varios
Materiales magnéticos 41
H IAI/m)
FIGURA 2.1 Típica curva B-H
niveles de densidad de flujo, variación de la permeabilidad con la temperatura, característica de histérisis, conductividad eléctrica, temperatura de
Curie y coeficientes de pérdida. Estos parámetros varían ampliamente con
los diferentes tipos de materiales, por lo que esta discusión tendrá un carácter muy general. En virtud de la característica no lineal de la mayor
parte de los materiales magnéticos, las técnicas gráficas son fundamentales para describir su características magnéticas. Las dos características gráficas de mayor importancia son la curva B-H o curva de magnetización y el llamado ciclo de histéresis. Existen muchos métodos de laboratorios bien conocidos para obtener estas características o para exhibirlas en un osciloscopio. La figura 2.1 muestra una característica típica
B-H. Esta característica puede obtenerse de dos maneras: la curva virgen,
que se saca a partir de una muestra totalmente desmagnetizada o la curva
B-H normal, obtenida como puntas de ciclos de histéresis de magnitud creciente. Son pocas las diferencias entre los dos métodos y carecen de importancia para nuestros propósitos. La curva B-H es el resultado de cambios
en los dominios en el interior del material magnético. En materiales ferromagnéticos, el material se divide en pequeñas regiones o dominios (aproximadamente de 10-2 a 10-5 cm en magnitud) en los cuales se alinean
espontáneamente todos los momentos de dipolo. Cuando el material se
encuentra totalmente desmagnetizado, los dominios tienen una orientación
al azar, que se traduce en una densidad de flujo neta, nula para cualquier
muestra finita. Cuando se aplica al material una fuerza externa magnetizante H se alinean estos dominios en la dirección en que H tienda a crecer,
42 Circuitos magnéticos de C.A. y
c.c. estacionarios
aumentando B (región 1 en la figura 2.1). En la región II, al seguir aumentando H, las paredes de los dominios se mueven con rapidez hasta que cada
cristal del material es un dominio simple. En la región 111, los dominios
giran en una sola dirección, hasta que todos quedan alineados con H. Esto
conduce a una saturación magnética, pero la densidad de flujo dentro del
material no puede crecer arriba de Bs ' la densidad de saturación. El incremento menor que ocurre por arriba de esta condición obedece al aumento
en el espacio ocupado por el material, de acuerdo con la relación B = f.1o H.
A menudo conviene prescindir de esta componente de densidad de flujo
de espacio libre y observar sólo la variación de densidad de flujo dentro del
material. Una curva así se conoce como la curva de magnetización intrínseca y se utiliza en el diseño de dispositivos de imán permanente.
Las tres regiones expuestas en la figura 2.1 sirven además para ~escri­
bir la característica de permeabilidad no lineal. En la ecuación (2.10) se ve
que esa permeabilidad es la pendiente de la curva B-H. A continuación se
estudiará la permeabilidad relativa; es decir, f.1o aparece como factor. La
pendiente de la curva B-H se llama actualmente, con toda propiedad, permeabilidad diferencial:
(2.11 )
La Permeabilidad inicial se define como
¡.t= lÍm _1
¡
H~O ¡.to
Ji
H
(2.12)
y corresponde a la permeabilidad en la región I. Esto tiene importancia en
muchas aplicaciones electrónicas, donde la intensidad de la señal es reducida. Pueden cometerse errores al medir la inductancia de un dispositivo de
núcleo magnético con un puente de inductancias, pues la intensidad débil
de señal de la mayoría de los puentes a menudo magnetiza la muestra sólo
en la región 1, donde la permeabilidad es relativamente baja. En la región
11, la curva B-H para muchos materiales es relativamente recta y si se opera
un solo dispositivo magnético en esta región, se puede usar la teoría lineal.
En todas las regiones, el término más general de permeabilidad es el de permeabilidad en amplitud y se define simplemente como la razón de BaH
para cualquier punto de la curva:
1 B
¡.t=-a
¡.to H
(2.13)
En general, la permeabilidad se tiene que definir en base al tipo de señal que excite al material magnético. Existen definiciones adicionales para
Materiales magnéticos 43
B (TI
1.6
________~I-~--~~r_+_~~~--L--L--------40
30
20
10
11 (Al/mi
0.2
0.4
0.8
1.2
FIGURA 2.2 Ciclo de histéresis de tira de 0.002, de núcleo devanado en cin·
ta Deltamax
excitaciones pulsante y sinusoidales que no se incluirán aquí. El valor máximo de la permeabilidad en amplitud es la permeabilidad máxima y es de
gran importancia en la electrónica.
La segunda característica gráfica de interés es el ciclo de histéresis,
mostrándose en la figura 2.2 un ejemplo típico de estos ciclos. Se trata de
un ciclo de histéresis simétrico, obtenido únicamente después de varias inversiones de la fuerza magnetizante entre más y menos Hs. Esta característica ilustra varios parámetros de los materiales magnéticos, siendo la más
evidente la propiedad de la misma histéresis. El área dentro del ciclo está
relacionada .con la energía requerida para invertir las paredes de los dominios magnéticos cuando se invierte la fuerza magnetizante. Esta es una
energía irreversible y se traduce en una pérdida de energía conocida como
44 Circuitos magnéticos de C.A. y C.c. estacionarios
1.4
B,
1.2
1.0
0.8
E
o:¡
0.6
0.4
0.2
--~----~--~----~--~----~--~----~o
70,000 60,000
He
40,000 30,000 20,000
10,000
H (Al/m)
FIGURA 2.3 Curva de desmagnetización de Alnico V.
pérdida por histéresis. Esta área varía con la temperatura y la frecuencia
de inversiones de H en un material dado.
El segundo cuadrante tiene mucho valor en el análisis de dispositivos
con imanes permanentes. En la figura 2.3 se muestra un ejemplo de esta
porción del ciclo de histéresis para el Alnico V. La intersección del ciclo con
el eje horizontal (H) se conoce como la fuerza coercitiva He y mide la capacidad del imán para oponerse a la desmagnetización que causarían las
señales magnéticas externas. Frecuentemente se muestra sobre esta curva
una segunda curva, que es el producto de B por H, trazada como función
de H, se conoce como el producto energía y es una medida de la energía
almacenada en el imán permanente. El valor de B en el eje vertical se conoce como densidad de flujo residual.
La temperatura de Curie o punto de Curie Te' es la temperatura crÍtica' arriba de la cual un material ferromagnético se convierte en paramagnético.
Hasta aquÍ, no se han dado valores numéricos para estos parámetros.
En la tabla 2.1 se dan los valores de parámetros para varios materiales magnéticos comunes. En la figura 2.4 se muestran varias curvas B-H. Es importante observar los valores típicos de permeabilidades relativas para buenos
materiales magnéticos y compararlos con valores de conductividad eléctrica
para buenos conductores eléctricos. Hay algunos materiales magnéticos,
Tabla 2.1 Características de materiales magnéticos dúctiles
Nombre de
{ábrica
.¡:.
VI
48NI
Monimax
Alta Perm. 49
Satmumental
Permalloy (lámina)
Moly Perma Hoy (polvo)
Deltamax
M-19
Silectrón
Orientación - T
Orientación M·5
Lingote de hierro
Spermendur
Vanadium Permendur
Hyperco 27
Hierro en laminillas
Ferrotrón (polvo)
Ferrita
Ferrita
Ferrita
Ferrita
Ferrita
Temperatura
Densidad de {lujo
Permeabilidad en Fuerza-He
amplitud
coercitiva Resistividad eléctrica de Curie
Aleaciones de saturación
H at Bsat
principales
(A/m)
(/Lohm-cm)
(T)
(A/m)
Máx-fLm
CC)
48% Ni
1.25
48% Ni
1.35
49% Ni
l.l
Ni,Cu
1.5
Ni,Mo
0.8
Ni,Mo
0.7
50% Ni
1.4
Si
2.0
Si
1.95
Si
1.6
Si
2.0
Ninguna
2.15
49%Co,V
2.4
49%Co,V
2.3
27%Co
2.36
Potencia de carbono ~0.8
MO,Ni
( lineal)
Mg,Zn
0.39
Mn,Zn
0.453
Ni,Zn
0.22
Ni,AI
0.28
Mg,Mn
0.37
80
6,360
80
32
400
15,900
25
40,000
8,000
175
1I,9oo
55,000
15,900
12,700
70,000
5,200
(Lineal)
1,1I5
1,590
2,000
6,360
2,000
200,000
100,000
240,000
100,000
125
200,000
10,000
20,000
30,000
80,000
4,900
2,800
5-130
5-25
3,400
10,000
160
400
4,000
4.0
1.6
8
28
40
26
80
8
92
198
13
6.3
318
143
30
65
65
48
45
55
45
47
50
47
48
10.7
26
40
19
IOS_101 5
1016
107
3x 107
109
1.8 x 108
398
398
454
499
732
746
932
925
135
190
500
500
210
46 Circuitos maf(néticos de C.A. y C. C. estacionarios
~r---'--r-r,,"Tr---'--~TO-rrn~---r-'-'-rTTrn----~-r-rTl"~
<Q-
0.4
10
50
1 0 0 - H(At/m) 1000
10,000
FIGURA 2.4 Curvas B-H de materiales magnéticos dúctiles seleccionados.
como el permalloy, supermendur y otras aleaciones de níquel que tiene una
permeabilidad relativa máxima de más de 100,000, dando una razón a la
permeabilidad de un material no magnético, como el aire o el espacio libre,
de 10 5 • Una permeabilidad elevada de esta magnitud sólo puede obtenerse
en algunos materiales yen un intervalo de operación muy limitado.
La razón de permeabilidad entre materiales magnéticos buenos y malos, dentro de un rango típico de operación, es del orden de 104 en el mejor
de los casos. Sin embargo, la razón de conductividad eléctrica entre un
buen conductor eléctrico como el cobre y un buen aislador, como el poliestireno, es del orden de 10 24 . Esto significa que no existe un material
que sea buen aislante magnético, salvo los superconductores que se mencionaron antes. Este tema se dilucidará más al estudiar los circuitos magnéticos.
2.3 PERDIDAS MAGNETICAS
Una característica de los materiales magnéticos con gran importancia para la eficiencia en energía de un dispositivo electromagnético es la
pérdida de energía dentro del propio material. La naturaleza física real
de esta pérdida aún no se comprende del todo y dar una descripción
teórica del mecanismo básico que se traduce en pérdidas del material magnético, queda fuera del alcance de este texto. La siguiente es una explica-
Pérdidas magnéticas 47
ción sencilla del complicado mecanismo: la energía que se utiliza para accionar el "movimiento de pared del dominio magnético" cuando dicho
dominio crece y gira bajo la influencia de un campo magnético que se aplica externamente, como se describió en la sección anterior. Si el campo externo se reduce o se invierte a partir de un valor dado, el movimiento de
pared de los dominios se produce otra vez para realizar el alineamiento de
dominios necesarios acorde al nuevo valor del campo mangnético. La energía asociada con el movimiento de pared de los dominios es irreversible y
se manifiesta como calor dentro del material magnético. La razón con la
que cambia el campo externo, tiene fuerte influencia sobre la magnitud de
la pérdida, siendo ésta, por lo general, proporcional a cierta función de la
frecuencia de variación del campo magnético. La estructura metalúrgica del
material magnético, incluso su conductividad eléctrica, tiene también marcado efecto sobre la magnitud de la pérdida. En las máquinas eléctricas y
trasformadores esta pérdida se denomina comúnmente, pérdida de núcleo
o algunas veces pérdida magnética o pérdida por excitación.
Por tradición, las pérdidas en el núcleo se dividen en dos componentes: pérdida por histéresis y pérdida por corrientes parásitas. La primera
componente ya se describió, por lo general se le acepta como igual al producto del área del ciclo de histéresis en baja frecuencia, por la frecuencia
de la fuerza magnetizante en sistemas sinusoidales. Las pérdidas por corrientes parásitas se originan por corrientes eléctricas inducidas, llamadas
torberllinos ("eddies"), dado que tienden a fluir en trayectorias cerradas
dentro del propio material magnético. La pérdida por corrientes parásitas
en un material excitado sinusoidalmente puede expresarse, ingnorando la
saturación, como:
(2.14)
donde Bm es el valor máximo de la densidad de flujo, f la frecuencia y k",
una constante de proporcionalidad que depende del tipo de material y
del espesor de la laminación.
Para reducir la pérdida por corrientes parásitas se lamina el material;
es decir, se forman láminas delgadas con una capa sumamente delgada de
aislante eléctrico entre cada lámina. Las láminas deben orientarse en dirección paralela al flujo magnético. La pérdida por corrientes parásitas es
en alguna medida proporcional al cuadrado del espesor de la laminación
e inversamente proporcional a la resistividad eléctrica del material. El espesor de la laminación varía alrededor de 0.5 a 5 mm en dispositivos
electromagnéticos usados en aplicaciones de potencia y de 0.01 a 0.5 mm
en los utilizados en aplicaciones electrónicas. Muchos núcleos magnéticos
usados en transformadores electrónicos e inductores se devanan con cinta, empleando tiras muy delgadas de material magnético. Obsérvese que
el laminado de una componente magnética por lo general aumenta su vo-
48 Circuitos magnéticos de e.A.' y C.e. estacionarios
lumen. Este aumento puede ser considerable, dependiendo del método que
se use para mantener juntas las láminas. La razón entre el volumen realmente ocupado por material magnético y el volumen total de una parte
magnética se conoce como factor de pila. Este factor es importante en
cálculos exactos de densidades de flujo en partes magnéticas. La tabla 2.2.
da factores de pila típicos para la dimensiones de laminación más delgadas.
Tabla 2.2
Espesor de laminación (en mm)
0.0127
0.0254
0.0508
0.1-0.25
0.27-0.36
Factor de pila
0.50
0.75
0.85
0.90
0.95
El factor de pila se aproxima a 1.0 a la medida que aumenta el espesor de la laminación. En componentes de hierro en polvo y de ferritas
magnéticas, existe un "factor de pila equivalente", que es aproximadamente igual a la razón del volumen de las partes magnética y el volumen global.
Si bien, es cierto que en la ecuación (2.14) y los planteamientos hechos respecto a la pérdida por histéresis son buenas "recetas" para calcular las variaciones de estas componentes de pérdida, con diversos parámetros
de campo, son totalmente impropias para realizar predicciones analíticas
de valores absolutos de pérdidas en el núcleo; las pérdidas en el núcleo se
deben, por consiguiente determinar con datos experimentales. Casi todos
los productores de materiales magnéticos han obtenido los datos de pérdidas en el núcleo, en condiciones de excitación sinusoidal para la mayoría
de sus productos. Las figuras 2.5 y 2.6 muestran valores de pérdidas en el
núcleo, medidos para dos tipos comunes de materiales magnéticos: el M15, un acero al silicio al 3% muy usado en transformadores y motores
pequeños y el 48NI, una aleación de níquel muy usada en la electrónica.
Estos datos se obtuvieron mediante una medición conocida como el método de marco de Epstein con muestras de lámina del material. En figura 2.6
b, aparecen las pérdidas en el núcleo medidas en un material de ferrita.
Es oportuno destacar que son cada vez más los dispositivos electromagnéticos que se utilizan con circuitos en los que los voltajes y corrientes poseen
formas de onda que no pueden clasificarse dentro de ninguna de las formas
comunes, como ondas senoidales continuas de c.c., cuadradas, etc. En muchos de éstos circuitos, los niveles de potencia son relativamente elevados y
por lo tanto, la medición de potencia, pérdidas y eficiencia es un factor significativo para su diseño y aplicación. La fuente de estas ondas nada comunes es
la acción de conmutación de semiconductores en sistemas que incluyen inversores, cicloconversores, rectificadores controlados y otros. Los datos
Pérdidas magnéticas 49
100~----~------~--------~------~~-'~~---r---.r--'--,
50
20
10
:!i
~
5
o
~
.""e
Q;
e
2
Q)
'"ro
:2
~
a..
.Q)
0.5
0.2
100
200
Frecuencias (Hz)
FIGURA 2.5 Pérdidas en el núcleo para acero al silicio no orientado; laminación de 0.019, de espesor (cortesía de Armco Steel Corporation).
de pérdidas en el núcleo, procedentes de mediciones sinusoidales por lo
general no son adecuados para tales sistemas. Las mediciones de pérdidas
en el núcleo deben hacerse con el dispositivo excitado de una fuente cuya
forma de onda se aproxime lo más posible a aquella con la que realmente
se operará el dispositivo. Las mediciones de potencia en condiciones de excitación no sinusoidal requieren el uso de wattmetros de tipo térmico, de
efecto Hall o de tipo multiplicador electrónico.
10,000
7,000
4.000
2.000
1,000
íi
700
~
400
e
:2
o
o
200
:;¡
'O
E
(a)
0.00005
o 002
0.0002
0.0001
0.0004
0.001
0007
0.004
007
002
0.01
0.04
02
07
0.1
Pérdidas en el núcleo (W/lb)
10 3 ri--r-~-.--.--.--.--.r-r-.--.-,
7
4
2
10 2
7
4
2
lO'
7
4
E
1
2
o
Q)
Ü
-:;¡
4
e
Qj
2
¡
,.
'"
10- 1
7
:E
4
2
10- 2
7
4
2
(b)
100015002000
Densidad de flujo (g_uss)
FIGURA 2.6 Pérdidas en el núcleo para una aleación de níquel típica al 48%
de 4 mils de espesor. Cortesía de Armco Steel Col). b) Pérdidas en el núcleo
para frerritas Mn-Zn.
Circuitos magnéticos 51
2.3.1 Pérdidas aparentes en el núcleo
El anterior es un término que se usa para describir los requerimientos de
excitación total de un sistema electromagnético, incluyendo las pérdidas
en el núcleo. Se define como el producto del valor rcm de la corriente de
excitación por el valor rcm del voltaje inducido en el devanado de excitación. La unidad (SI) de pérdidas aparentes en el núcleo es el volt-ampére.
2.4 CIRCUITOS MAGNETICOS
Es importante señalar que un campo magnético es un fenómeno de parámetros distribuidos; es decir, se encuentra distribuido en una región del espacio. En estas condiciones, un análisis riguroso requiere el uso de variables
de distancia implícitas en los símbolos de divergencia y rotación, de la
ecuación (2.1). No obstante, en ciertos casos, es posible aplicar un análisis
de parámetro concentrados a algunos problemas de campo magnético,
como se hace precisamente en el análisis de circuitos eléctricos. La exactitud y precisión de este análisis son mucho menores que en los problemas
de circuitos eléctricos, a causa de la variación de permeabilidad relativamente pequeña entre conductores y aisladores magnéticos, como se discutió con anterioridad.
Esta sección describe sucintamente el análisis de circuito con parámetros concentrados, en su aplicación a sistemas magnéticos, denominado
con frecuencia análisis de circuitos magnéticos. Este método sigue los lineamientos de análisis de circuitos eléctricos simples de c.c. y es aplicable
a sistemas excitados con señales de C.C., o bien, por medio de aproximaciones incrementales, a sistemas excitados con c.a. de baja frecuencia. Su utilidad radica en que permite dimensionar las componentes magnéticas de
un dispositivo electromagnético durante las etapas de diseño, calcular inductancias y determinar las densidades de flujo en los entrehierros para
cálculos de potencia y par.
Se principiará con algunas definiciones.
1. El potencial magnético: para regiones donde no existan densidades
de corriente eléctricas, lo que sucede en los circuitos magnéticos que se desea discutir, la intensidad de campo magnético H puede definirse como un
potencial magnético escalar M:
H=V' M; M= fH.dL
(2.15)
Se ve que M tiene las dimensiones de amperes, aunque con frecuencia se usa
el "amperio-vuelta" como unidad. Para una elevación de potencial o fuente
de energía magnética, en general se utiliza el término fuerza magnetomotriz
(fmm). Como caída de potencial, se emplea el término caída de reluctan-
52 Circuitos magnéticos de CA. Y C. C. estacionarios
cia. Existen dos tipos de fuentes de fmm en circuitos magnéticos: una corriente eléctrica y los imanes permanentes. La fuente de corriente consiste,
en una bobina con un número N de vueltas por las que fluye una corriente
conocida como corriente de excitación. Obsérvese que el número N de
vueltas es adimensional.
2. Flujo magnético: Las líneas de flujo en un campo magnético se
conocen como líneas de flujo magnético, denotado con el símbolo 1>, cuya
unidad SI es el weber. El flujo se relaciona con B mediante la integral de
superficie.
</>=
¡
B·dS
(2.16)
s
3. Reluctancia: es una compenente de la impedancia magnética, en
cierta manera análoga a la resistencia en un circuito eléctrico, pero la reluctancia no es una componente asociada a pérdidas de energía. Se define por
una relación análoga a la ley de Ohm:
M
R
</>=-
(2.17)
La unidad SI de reluctancia magnética es el henry-l . En regiones que contengan material magnético homogéneo e iso(rópico y donde el campo magnético sea uniforme, la ecuación (2.17) da una idea más profunda de la
naturaleza de la reluctancia. Si se toma en cuenta que la densidad de flujo
tiene una sola componente direccional B uniforme sobre una sección transversal del área Am , que se tomó perpendicularmente a la dirección de B,
la relación (2.16) se convierte entonces en 1> = BAm. Se considerará además, que H no varía a lo largo de la longitud 1m , en la dirección de B, por
lo que (2.17) conduce a
(2.18)
expresión semejante a la de la resistencia eléctrica en una región con propiedades eléctricas uniformes análogamente.
4. Permeancia: la permeancia P es recíproca de la reluctancia y su unidad SI es el henry. En el análisis de transformadores electrónicos se usa
mucho el término factor de inducción AL y coincide con lo que aquí se
llama permeancia. Tanto permeancia como reluctancia se utilizan para describir las características geométricas de un campo magnético, sobre todo
para calcular inductancias.
5. Flujo de fuga: entre dos puntos cualesquiera con diferentes potenciales magnéticos en el especio existe un campo magnético, como indica la
Circuitos magnéticos S3
Núcleo de
Flujo de borde
Núcleo de
hierro
FIGURA 2.7 Efecto de borde de flujo en un entrehierro de aire.
ecuación (2.15). En cualquier circuito magnético práctico hay muchos
puntos-o, más generalmente-planos con potenciales magnéticos que difieren
entre sÍ. El campo magnético entre estos puntos se puede representar por
líneas de flujo o líneas de flujo magnético. Cuando estas líneas pasan por regiones del espacio (casi siempre zonas de aire, de aislamiento eléctrico o
miembros estructurales del sistema) en vez de seguir la trayectoria principal del circuito, se denominan líneas de flujo de fuga. En circuitos acoplados, con dos o más devanados, la definición de flujo de fuga'o de dispersión
es específica: es el flujo que eslabona con una bobina pero no con la otra.
La dispersión es una característica de todos los circuitos magnéticos
y nunca puede eliminarse por completo. En c.c. o a frecuencia de c.a. muy
bajas, un blindaje magnético formado por láminas delgadas de material de
alta permeabilidad puede reducir el flujo de fuga. Esto se realiza no por
eliminación de las fugas, sino porque se establecen nuevos niveles de potencial magnético en las trayectorias de fuga para dirigir mejor las líneas de
flujo a lo largo de la trayectoria deseada. Para más altas frecuencias de excitación, un blindaje eléctrico formado por hojas de aluminio puede reducir
el flujo de fuga por disipación de su energía en corrientes inducidas en el
blindaje.
6. Dispersión de borde: esta dispersión es, en cieto modo, semejante
a la fuga y es un término usado para describir el ensanchamiento de las
líneas de flujo en un entrehierro de aire de un circuito magnético. La figura 2.7 ilustra este fenómeno.
La dispersión de borde se presenta en virtud de las líneas de flujo que
aparecen a lo largo de los lados y aristas de los dos elementos magnéticos
que forman el entrehierro y que se encuentran a diferentes potenciales
magnéticos. Es casi imposible calcular analíticamente la dispersión por
borde, excepto con la más simple de las configuraciones. El efecto relativo
de esta dispersión aumenta con la longitud del entrehierro.
54 Circuitos magnéticos de CA. y C. C. estacionarios
2.5 LEY DE AMPERE APLICADA A UN CIRCUITO MAGNETICO
De acuerdo con la ecuación (2.2), la integral alrededor de cualquier trayectoria cerrada de la intensidad de campo magnético H, es igual a la corriente
eléctrica contenida dentro de la trayectoria. Conviene dar ciertas instrucciones para usar el término integral: se dice que la corriente es positiva cuando fluye en la dirección de avance de un tornillo de rosca a derechas que
girar según la dirección en que se recorre la trayectoria cerrada.
Apliquemos la ley de Ampére al circuito magnético simple, cuyo corte transversal se muestra en la figura 2.8, constituido por un elemento magnético de longitud media 1m , en serie con un entrehierro de aire de longitud
19, alrededor del cual están enrolladas tres bobinas cuyas vueltas son NI'
N 2 Y N 3' La trayectoria del flujo magnético 1> se muestra a lo largo de la
longitud media del miembro magnético y a través del entrehierro de aire.
La línea de integración se recorrerá en el sentido de las manecillas del reloj. En las tres bobinas se indican las direcciones de corriente. Obsérvese
que para las direcciones indicadas, la dirección de corriente penetra al plano del papel para los conductores incluidos por la trayectoria de integración
en las bobinas 1 y 3 y sale del plano del papel para la 2. Del primer miembro de la ecuación (2.2) se obtiene
(2.l9)
Si el material magnético es lineal, hom'Jgéneo e isotrópico y si no se toma
en cuenta el flujo de fuga, la ecuación (2.19) se convierte en
(2.20)
donde Rm y Rg son las reluctancias del miembro magnético y del entrehierro, respectivamente y, Mm y Mg representan los potenciales magnéticos o
caida de reluctancia a través de estos dos elementos del circuito magnético.
El segundo miembro de la ecuación (2.2) da
(2.21)
La combinación de la ecuaciones (2.20) y (2.21) proporciona
(2.22)
Se puede generalizar la ley de Ampére en base a este sencillo ejemplo estableciendo que "la suma de los potenciales magnéticos alrededor de cualquier
Ley de Ampére aplicada a un circuito magnético 55
Núcleo de
hierro
/,
'+--+--+- N,
FIGURA 2.8 Circuito magnético compuesto, con excitación múltiple (fmms)
trayectoria cerrada es igual a cero", análoga a la relación de voltaje de Kirchhoff en los circuitos eléctricos. Procede notar que esta generalización se
infiere aún sin los aspectos de simplificación usados para eliminar la forma
integral de la ecuación (2.19).
Ejemplo 2.1
Ilustremos el uso de la ecuación (2.22) dando valores numéricos para el circuito de la figura 2.8 y resolviendo el siguiente problema: determinar el
número de amperio-vueltas requerido para establecer una densidad de flujo
de un tesla en el entrehierro de aire. Aquí no tiene caso incluir las tres bobinas, así que se cancelarán 12 e 13 , y se buscará el producto l I N I • Sea 0.1
mm la longitud del entrehierro de aire. El miembro magnético se supone
construido de acero laminado M-19 con factor de pila de 0.9 y una longitud
lm de 100 mm; no se tomarán en cuenta las dispersiones de borde y. de fuga. Las caídas de reluctancia pueden calcularse mediante cualquiera de los
miembros de la ecuación (2.20). Dado que la densidad de flujo en el entrehierro de aire es un dato, el cálculo de la intensidad de campo magnético
es simple:
B
H = --.!.. =
1.0
=7.95x 105 A/m
g
/lo
4'17 X 10- 7
Si no se toman en cuenta las dispersiones de fuga y de borde, la densidad
de flujo en el miembro magnético puede estimarse que es igual a la del
entrehierro de aire, dividida entre el factor de pila:
56 Circuitos magnéticos de CA. y C. C. estacionarios
De la curva para el acero M-19 en la figura 2.4, en este valor de densidad
de flujo
H=130
Mm = 130xO.l = 13
El número de amperio-vueltas requerido en la bobina de excitación
N/ 1 = Mm + Mg =92.5 A (amperio-vuelta)
Ejemplo 2.2.
Para la misma configuración y los mismos valores numéricos, determinar
los amperio-vuelta requeridos en la bobina de excitación para establecer un
flujo de 0.001 Wb en el entrehierro de aire. El problema se resolverá mediante reluctancias, sin tomar en cuenta las pérdidas por fuga, pero sí los
efectos de borde. Es preciso conocer el área de la sección transversal del
miembro magnético para determinar las reluctancias; se considerará que
Am = 16 cm 2 aproximadamente.
Para determinar la reluctancia del entrehierro de aire se puede usar la
ecuación (2.18). Supóngase que los efectos de borde aumentan el áreaefectiva del entrehierro en un 10% respecto al área de la superficie del acero
que lo limita. La reluctancia es entonces
R =
g
10-
4
(4'1TX 10- 7 )(1.1 X 0.0016)
=4.5 X 104
Al no tomar en cuenta las fugas, existe el mismo flujo en todo el miembro
magnético. La densidad de flujo en el material magnético es
Bm =
0.9~~~16 =0.695 tes la
De la curva M-19 de la figura 2.4, la permeabilidad en amplitud es
La reluctancia del miembro magnético es
R =
m
1m
=
0.1
=0.54 X 104
JLRJLoAm
10240(4'1TXIO- 7 )(0.9xO.0016)
Limitaciones del método del circuito magnético 57
FIGURA 2.9 Circuito equivalente aproximado para la figura 2.8.
Los amperio-vuelta de excitación requeridos son
Hay varias conclusiones que pueden observarse de estos ejemplos sencillos:
1. El núcleo magnético con entrehierro de aire es análogo a un circuito serie simple de C.C., como se muestra en la figura 2.9.
2. Debido a la simetría respecto al plano del papel del sistema de la figura
2.8, es aceptable la representación bidimensional del campo magnético.
3. El cálculo de reluctancias es un método más complejo que el uso de intensidades de campo magnético para determinar las caídas de reluctancia.
4. Probablemente, se dudará tratar de obtener la solución de los problemas
inversos de los dos ejemplos anteriores; es decir, dado el número de amperio-vueltas de excitación, determinar el flujo (o densidad de flujo) en
el entrehierro de aire. Si se reflexiona un poco, se observará que no existe una solución analítica directa a este problema debido a la no linealidad
de la característica B-H del material magnptico para acceso repetido durante el proceso de iteración.
2.6 LIMITACIONES DEL METODO DEL 1..,RCUITO MAGNETICO
La cantidad de problemas de circuitos magnéticos prácticos que pueden resolverse mediante el método expuesto en las dos secciones precedentes es más bien limitada, a pesar de la semejanza de este método con la
teoría elemental de los circuitos eléctricos de c.c. La discusión (4) subsiguiente al ejemplo 2.2 ilustró sólo una de las limitaciones. El objetivo de introducir circuitos magnéticos es más con la intención de establecer algunos
principios y definiciones fundamentales, que como técnica para resolver
problemas. Las limitaciones de la teoría de los circuitos magnéticos se derivan principalmente en la naturaleza de los materiales magnéticos, que
difiere ostensiblemente de la de los materiales conductores, aislantes y dieléctricos. La mayor parte de estas limitaciones se había ya incluido en cali-
58 Circuitos magnéticos de CA. y C. C. estacionarios
dad de "suposiciones" y se expuso en la discusión acerca de los circuitos
magnéticos. Es necesario precisar el significado de estas suposiciones:
1. Material magnético homogéneo: la mayoría de los materiales usados en sistemas electromagnéticos prácticos pueden considerarse
homogéneos dentro de regiones finitas del espacio, permitiendo el
uso de las formas integrales de las ecuaciones de Maxwell y los
cálculos de reluctancias y permeancias.
2. Materiales magnéticos isotrópicos; casi todos los aceros en láminas
y las ferritas se orientan por medio de procesos metalúrgicos durante su producción. Los materiales orientados tiene una dirección
"favorecida" en su estructura granular, dando propiedades magnéticas superiores al ser magnetizados a lo largo de esta dirección.
Cuando existan estas características direccionales, siempre deben
tomarse en cuenta al analizar el circuito magnético, aunque en general, las ecuaciones integrales aún son aplicables.
3. Característica no lineal; ésta es una propiedad inherente a todos los
materiales ferro y ferrimagnéticos, cosa que se puede tomar como
un obstáculo serio para cualquier método analítico que se intente
en sistemas electromagnéticos, pero hay varias razones para aseverar que no es así:
a) Como se puede apreciar en las curvas B-H expuestas en las figuras
2.1 y 2.4 hay una vasta sección de la curva, con la mayoría de los
materiales, que se puede aproximar a una línea recta. Muchos dispositivos se operan en densidades de flujo principalmente en este intervalo y el dispositivo se puede considerar, en esencia lineal.
b) La característica B-H no lineal de los materiales magneticos se
manifiesta en la relación entre flujo y corriente de excitación en
sistemas electromagnéticos. La relación entre flujo y voltaje inducido es una relación lineal, dada por la ley de Faraday, ecuación (2.3). Es posible tratar por separado estas características de
excitación no lineales en muchos sistemas, tal como se hace en el
método del circuito equivalente para transformadores y motores
de inducción.
e) Una inductancia cuyo circuito magnético esté constituido por un
material magnético, es un elemento no lineal de un circuito eléctrico, como una bobina devanada en un toroide magnético. Sin
embargo, con un entrehierro de aire en el toroide magnético, se
reduce el efecto del material magnético no lineal sobre la inductancia. Las máquinas rotatorias y muchos otros dispositivos
electromecánicos tienen entehierros de aire en sus circuitos magnéticos, permitiendo que la teoría básica de estos dispositivos se
describa mediante ecuaciones lineales. Como se señaló, las tra-
Limitaciones del método del circuito magnético 59
yectorias de los flujos de fuga se encuentran principalmente en
regiones no magnéticas del espacio y las inductancias asociadas
a estos flujos (inductancias de fuga) son elementos de circuitos
lineales.
4. Saturación; todos los materiales y dispositivos de ingeniería exhiben cierto tipo de saturación, cuando deja de aumentar la salida al
incremementarse la entrada, como sucede en la saturación de un
amplificador electrónico. La saturación magnética, definida en la
sección 2.2, es una parte de la característica no lineal descrita en el
párrafo anterior, aunque generalmente se trata como característica separada de un circuito magnético. La saturación es de mucha
utilidad en numerosos dispositivos electromagnéticos, tales como
amplificadores magnéticos y reactores saturables. A los materiales
magnéticos usados en este tipo de dispositivos magnéticos de conmutación yen otros, se les denomina materiales de ciclo cuadrado,
pues sus ciclos de histéresis (figura 2.2) son aproximadamente
cuadrados o rectángulares, con lados paralelos a los ejes B y H.
La hipótesis de esta característica de ciclo permite un método de
análisis'matemático de circuitos magnéticos directo. En casi toias
las máquinas rotatorias es un aspecto más bien indeseable, que debe tenerse muy en cuenta en el diseño y operación de las máqui llas.
En circuitos magnéticos complicados, la saturación se presenta generalmente en una parte del circuito, antes de tener lugar en otras.
La operación de un circuito magnético dentro de la región saturarada de su curva B-H se traduce usualmente en baja eficiencia en
energía y en calentamiento indebido. La frontera entre la parte no
"saturada" y la "saturada" de la curva B-H se conoce como rodilla
de esa curva y es la región donde la curva está más pronunciada hacia la horizontal. En todos los materiales, con excepción de los de
ciclo cuadrado, la rodilla es un efecto gradual.
5. Flujos de fuga y de borde; ésta es una propiedad de todos los circuitos magnéticos. Es un tema que se trata mejor como parte de la
solución generalizada de la distribución de campo magnético en el
espacio, denominada a menudo problema de valores en la frontera.
En muchos circuitos magnéticos de máquinas rotatorias, las fronteras entre regiones del espacio diferentes de materiales magnéticos
(una frontera entre un material ferromagnético y el aire, generalmente) son a menudo superificies planas o cilíndricas, que se convierten en líneas rectas o círculos en sección transversal bidimensional.
Las inductancias de fuga pueden calcularse en tales regiones, determinando la reluctancia o permeancia de la región mediante fórmulas integrales sencillas. Los coeficientes especiales o geométricos
se conocen como coeficientes de permeancia. En la sección 2.10 se
da un ejemplo de este método.
50 Circuitos magnéticos de CA. y C. C. estacionarios
2.7 EL CIRCUITO MAGNETICO IDEAL
El circuito magnético ideal se puede definir mediante las hipótesis discutidas en la sección anterior; el circuito magnético ideal está compuesto por
materiales magnéticos homogéneos, iso trópicos y lineales, y posee una
permeabilidad infinita. Generalmente, se ignora el efecto de borde en el
entre hierro de aire; un material magnético con permeabilidad infinita es
análogo a un conductor eléctrico perfecto; esto es, un conductor con conductividad eléctrica infinita; las relaciones entre B y H son análogas a las
que existen entre J y E en el conductor perfecto. Estas relaciones se establecen en casi todos los textos de teoría del campo y aquí sólo se sintetizarán. Obsérvese la figura 2.10, que muestra la frontera entre dos regiones
de diferente permeabilidad magnética. La región 1 es el espacio libre con
111 = 110; la 2 es el material magnético con 112 -+ 00 • Las condiciones de
frontera, en función de las componentes de campo H n y B n' normales a
la frontera y las tangenciales a la misma H t y Bt se demuestra que son
(presuponiendo que no hay densidad de corriente en la superficie de frontera):
B'n = B2n
(2.23)
donde los subíndices 1 y 2 se refieren a las regiones respectivas. Dentro del
material magnético donde la región 2,
B 2/
H 2 / = -~O( fL2~OO)
(2.24)
fL2
muestra que la componente tangencial de la intensidad de campo en el material magnético es cero, a medida en que la permeabilidad se aproxima al
infinito. Por consiguiente, partiendo de (2.23), la componente tangencial
del campo magnético en la región 1, en la frontera, es también cero. Además, en la ecuación (2.15), puede verse que M,el potencial magnético, es
nulo a lo largo de una trayectoria paralela al campo tangencial, dentro del
material magnético. Hay dos conclusiones importantes de este análisis:
1. Las líneas de flujo o líneas de flujo magnético son perpendiculares a la
superificie de un conductor magnético perfecto.
2. No hay diferencia de potencial o caída de reluctancia entre puntos o planos en diferentes posiciones, dentro de un conductor magnético perfecto.
Estas características del circuito magnético ideal se usan frecuentemente,
en el análisis de circuitos magnéticos.
Ley de Faraday y voltaje inducido 61
FIGURA 2.10 Frontera entre materiales magnéticos
2.8 LEY DE FARADAY Y VOLTAJE INDUCIDO·
Para relacionar una variación en el tiempo del flujo magnético, con una variación de campo eléctrico alrededor de una trayectoria cerrada, volvemos
a la ley de Faraday, ecuación (2.2) de la sección 2.1:
~E.dl= -
f aa~
·ds
(2.2)
s
Con el objeto de determinar la dirección del vector de campo eléctrico E,
se usan los dedos de la mano derecha para indicar la dirección positiva respecto a la trayectoria cerrada. El pulgar indicará la dirección de ds; una
densidad de flujo B en la dirección de ds, aumentando con el tiempo, se
traduce en una dirección para E, opuesta a la dirección positiva respecto a
la trayectoria cerrada. El primer miembro de la ecuación (2.2) se denomina "fem" o voltaje inducido e. El derecho se definió en la ecuación (2.16)
como el flujo magnético. Con estas definiciones, la forma escalar de la ley
de Faraday es
d</>
e=--
dI
(2.25)
Se define A, eslabonamientos de flujo, como el producto del número de
vueltas N por el flujo </> que eslabona con N:
(2.26)
Si la integral de línea en la ecuación (2.2) se evalúa alrededor de N trayectorias cerradas, que representan N vueltas en serie, la ecuación (2.25) se
convierte en
dA .
e=--
dI
(2.27)
62 Circuitos magnéticos de C.A. y C.C. estacionarios
La ley de Faraday es aplicable al caso en que la variación con el tiempo del
voltaje provenga de un flujo variable en el tiempo, eslabonando a una bobina estacionaria, como en un transformador, una bobina o conductor,
moviéndose físicamente a través de un flujo estático, en cualquier combinación de las dos situaciones. Para el caso de un conductor que se desplace
en un campo magnético, el voltaje inducido se denomina a menudo "fem
de movimiento" y se define como
fem de movimiento ~(U X B)·dl
(2.28)
donde U es el vector velocidad del conductor. Una aplicación especial de
esta relación es útil en el análisis de máquinas rotatorias. Si un conductor
de longitud 1, se mueve perpendicularmente a la dirección de un campo
magnético uniforme, con una velocidad constante la ecuación (2.28) se
transforma en
fem de movimiento = BlU
(2.29)
La dirección asociada a la fem de movimiento, se puede determinar a partir de los procesos de integración y reglas vectoriales expresadas en el segundo miembro de la ecuación (2.28), de manera semejante al proceso
indicado por la ecuación (2.2), aunque cuando es aplicable la ecuación
(2.29), es preferible seguir una regla mucho más fácil, conocida como
regla de la mano derecha: colocar los dedos pulgar, ídice y medio de la
mano derecha perpendiculares entre sí. Si el pulgar representa la dirección
de U y el Índice la de B, el medio representará la dirección de la fem a lo
largo de l.
2.9 RELACIONES ENERGETICAS EN UN CAMPO MAGNETICO
La energía potencial en un campo magnético se deteermina en el espacio
mediante la integral de volumen
w= -1 f
2
vol
f.
2
B·Hdv= -1
/lB 2dv= -1
vol
2
1
2
B
-dv
vol JL
(2.30)
Ejemplo 2.4
Determinar la energía magnética potencial en el entrehierro de aire y en el
material magnético del circuito magnético del ejemplo 2.2. De acuerdo a
las hipótesis aplicadas en ese ejemplo, la distribución de campo era uniforme tanto en el entrehierro, como en el material magnético, facilitando el
Inductancia 63
uso de la ecuación (2.30). En el entrehierro, Bg = 0.001/(1.1 X 0.0016)
0.57 teslas.
2
w=l.(Bi)<VOl)=l.(
2
/Lo
0.57
2 4?T X 10- 7
)<l.l xO.OO16x 10-
4
)
=0.0228 J
Dentro del material magnético, Bm
=
0.695 teslas;
Hm =54 Alm (de la figura 2.4)
1
1
w= "2Bm
x Hm xvol="2 xO.695 x54X(0.9XO.OO16) xO.l
=0.0027 J
Está claro que la mayor parte de la energía se requiere para establecer
el flujo en el entrehierro de aire.
2.10INDUCTANCIA
La inductancia es uno de los tres parámetros en la teoría de los circuitos
eléctricos y se define como el eslabonamiento de flujo por amperio:
A N1>
L=-=i
i
(2.31)
Analícese un toroide magnético devanado con "n" bobinas diferentes,
aisladas unas de otras eléctricamente, como se muestra en la figura 2.11.
Desde el punto de vista magnético, las bobinas están eslabonadas por el
flujo <p, y cada una se eslabona con cierta parte de este flujo. Para este sistema, la inductancia genérica entre dos bobinas k, m puede determinarse
así:
flujo que eslabona a la bobina k debido a la corro en la m
Lkm = ----------------------------------------------corriente en la bobina m
Matemáticamente, lo anterior puede expresarse como
Nk (k1>m)
L km = ----o--1m
(2.32)
64 Circuitos magnéticos de C.A. y C.e. estacionarios
Núcleo de
hierro
FIGURA 2.11 Toroide con n devanados
donde k es la porción del flujo debido a la bobina m, que eslabona a la bobina k y se conoce como coeficiente de acoplamiento. De acuerdo a la definición, su valor máximo es de 1.0. Un valor dek menor a la unidad, se atribuye al flujo de fuga en las regiones entre las bobinas k y m. Probablemente,
se observará que cuando los subíndices en las ecuaciones (2.32) son iguales, la inductancia es la auto-inductancia y cuando difiere, se trata de la
inductancia mutua entre las bobinas k y m. Las inductancias mutuas son
simétricas, es decir.
(2.33)
La inductancia puede relacionarse con los parámetros magnéticos establecidos antes en este capítulo. En la ecuación (2.32), if>m puede sustituirse mediante la ecuación (2.17), por Mm' potencial magnético de la
bobina m, dividido entre la reluctancia R del circuito magnético; el potencial magnético de la bobina m es N mIm . Realizando estas sustituciones en
la ecuación (2.32) se obtiene
L km =
kNkNm
R
=kNkNmP
(2.34)
donde P es la permeancia, recíproca a la reluctancia. En un circuito magnético simple, como el toroide, (figura 2.11), se puede sustituir la reluctancia
dada por (2.18) en (2.34), dando
(2.35)
Inductancia 65
donde 111' Al' Y lt son la permeabilidad, el área del corte transversal y la
longitud media del toroide, respectivamente.
La energía almacenada puede expresarse en función de la inductancia:
(2.36)
Al sustituir L, dada por la ecuación (2.31) y Ni potencial magnético, dado
por la ecuación (2.17), la (2.36) puede expresarse como
w= .lR</>2
2
(2.37)
Aquí cabe comparar estas expresiones de energía, con las expresadas en
función de magnitudes de campo, dadas en la ecuación (2.30), de la sección
anterior. Ambas formas son equivalentes.
Ejemplo 2.5
Calcular la auto-inductancia de la bobina 1 del ejemplo 2.2 (figura 2.8). A
fin de obtener un valor numérico para la inductancia, se debe especificar el
número de vueltas de la bobina. Supóngase que son 10.
N,</>,
(10)(0.001)
L" = -/-,- =
5.04
=0.00198 henry
Si se tomaran 100:
L" =
(100)(0.001)
0.504
= 0.198 henry
N ótese que la inductancia varía con el cuadrado del número de vueltas.
Ejemplo 2.6
Calcular la inductancia mutua entre las bobinas 1 y 2, del ejemplo 2.2., suponiendo 10 vueltas en la 1 y 20 en la 2. Dado que se ignoraron las fugas
en ese ejemplo, k = 1.0; es decir, todo el flujo producido por la bobina 1
eslabona a la 2:
L 2r = L'2 =
(20)(0.001)
5.04
= 0.00398 henry
Ejemplo 2.7
Calcular la inductancia de la bobina 1 del toroide de la figura! 2.11, suponiendo que el material es una aleación de 48% de Ni y que la circunferencia
66 Circutos magnéticos de CA. y C. C. estacionarios
media del toroide es 0.1 m, con una área de la sección transversal igual a
0.0016 m 2 y con un factor de pila de 0.9. El número de vueltas es 10.
De la curvaB-H para una aleación al 48% Ni, en la figura 2.4, se observa que la permeabilidad absoluta en amplitud es 0.115 en el intervalo lineal. Usando la ecuación (2.35) con k = /1.0, se obtiene
L(( =
(HY)(0.OOI6)(0.115)
0.1
=0.184 H
Como se ve, la inductancia de este toroide es mucho mayor que la del circuito de la figura 2.8, usado en el ejemplo 2.5, aunque las longitudes medias, áreas y vueltas de devanados sean las mismas. Esto se atribuye al
efecto del entrehierro en el circuito de la figura 2.8 y también a la permeabilidad mayor del toroide.
Ejemplo 2.8
Determinar la inductancia de la ranura de armadura, cuya sección transversal se muestra en la figura 2.12, suponiendo que la parte baja de la ranura de altura y 2 está llena de conductores que llevan una densidad de
corriente J ampere/m 2 , perpendicular al plano del papel. Supóngase también que el material magnético de acero que rodea la muesca tiene una
permeabilidad magnética infinita. En este ejemplo se calcula una expresión
para la "inductancia de ranura" que es una componente importante de la
inductancia de fuga en muchos tipos de máquinas rotatorias, también se
ilustra el uso de los coeficientes de permeancia y el concepto de eslabonamientos de flujo parciales. Se expone además el uso de la simetría, pues la
figura 2.12 representa la sección transversal de una parte de una armadura
de longitud la' en la dirección perpendicular al plano del papel. Es posible
el análisis bidimensional, ya que sólo existe una componente de la densidad
de corriente J. Suponer una permeabilidad finita del material magnético
en los lados y base de la ranura significa que las líneas de flujo emergen
perpendicularmente de los lados. Por consiguiente, las líneas de flujo pueden considerarse como componentes horizontales.
Eslabonamiento de flujo parcial, es el término utilizado para describir las líneas de flujo que eslabonan sólo una porción de un conductor
eléctrico o una parte de las vueltas de una bobina. En este ejemplo, una línea de flujo a través de la ranura a una altura cualquiera menor a Y2' eslabona únicamente con la corriente abajo de la línea de flujo. (La trayectoria
de la línea de flujo se cierra a través del material magnético, como se muestra). Se debe haber observado que las supuestas líneas de flujo horizontal
no son del todo correctas en una configuración práctica, pero sería imposible obtener una solución analítica sin esta conjetura.
Inductancia 67
Material
Conductor de
la densidad de
la corriente
J
FIGURA 2.12 Sección transversal de una ranura
Analizar el flujo diferencial en la "franja" a una distancia y de la base
de la ranura; la franja tiene una altura dy, una anchura la (hacia el papel) y
una logitud t 2 • El potencial magnético que encierra esta franja es
La permeancia de la franja es
El flujo a través de la franja es, de acuerdo con la ecuación (2.17):
El flujo total a través del entrehierro es
El potencial magnético total de la ranura es
La permeancia de la porción inferior de la ranura es
y la de la parte superior
68 Circuitos magnéticos de C. A. y C. C. estacionarios
La inductancia de la ranura es
2.11 CIRCUITOS MAGNETICOS QUE CONTIENEN IMANES
PERMANENTES
El segundo tipo de fuente de excitación que se usa comúmente para suministrar energía a circuitos magnéticos y a otros tipos de dispositivos mecánicos es el imán permanente. La naturaleza de estos imanes se describió
brevemente en la sección 2.2. Existe desde luego, marcada diferencia entre una bobina de excitación eléctrica y una fuente de imán permanente,
por lo que habrá ciertas diferencias en los métodos de análisis usados en
los dos tipos de circuitos magnéticos. En realidad, estas diferencias son
relativamente pequeñas y se relacionan con el mismo uso del imán permanente, más que con las otras partes del circuito magnético.
Una bobina de excitación eléctrica ~nergizada por una fuente de voltaje o corriente continua sufre compautivamente poco la influencia del
circuito al que excita, salvo durante e ondiciones transitorias, cuando se
producen cambios en el circuito magnético o en el circuito eléctrico externo. En condiciones estacionarias, con una fuente de voltaje constante,
la corriente en la bobina se determina solamente por la magnitud de la
fuente de voltaje y la resistencia a la c.c. de la bobina.
En un circuito excitado con un imán permanente, las condiciones de
operación de éste las determina en gran medida el circuito magnético externo. Además, el punto de operación y la operación subsecuente del imán
dependen de la forma en que éste se instala físicamente en el circuito y de
si se magnetiza antes o después de instalarse. En muchos casos el imán debe pasar por una rutina estabilizadora antes de usarse; por supuesto, estos
aspectos carecen de importancia con las fuentes de excitación eléctricas.
Los detalles necesarios para encontrar la excitación requerida para establecer cierta densidad de flujo en un entrehierro de aire de dimensiones conocidas se indicaron el los ejemplos 2.1 y 2.2 para bobinas de excitación
eléctrica. Por lo que respecta a una excitación por imán permanente, la
meta es determinar las dimensiones del imán (longitud y sección transversal). El primer paso en este proceso es escoger un tipo específico de imán
permanente, pues cada tipo de imán posee una característica única que
condiciona parcialmente las dimensiones. del imán requerido. En un dise-
Circuitos magnéticos con imanes permanentes 69
ño práctico, esta elección se basa en factores de costo, disponibilidad, diseño mecánico (requisito de dureza y resistencia ), espacio disponible en el circuito magnético, así como en las especificaciones de operación magnética
y eléctrica del circuito. La mayoría de los imanes permanentes no son maquinables y por lo general deben usarse en el circuito tal como los entrega
el industrial. La tabla 2.3 resume algunas de las características pertinentes
de los imanes permanentes comunes.
La excitación por imán permanente se selecciona para una densidad
de flujo especificada para el entrehierro, con la ayuda del segundo cuadrante de la curva B-H, llamada frecuentemente curva de desmagnetización para un tipo específico de imano Esta curva se introdujo en la sección 2.2
como figura 2.3. En la figura 2.13 se muestran las características B-H de
algunos imanes permanentes de alnico y en la 2.14 las de algunos imanes
de ferritas. También, en esta figuras se exponen las curvas de producto de
energía (el producto de B en Gauss por H en Oersteds) y de razón de
permeancia (relación de B entre H). El producto de energía es una medida de la energía magnética que el imán permanente es capaz de suministrar a un circuito externo, en función de su densidad de flujo e intensidad
de campo. En general, un imán permanente se usa con el máximo de su
eficiencia, cuando se opera en las condiciones de B y H que se traducen en
un producto máximo de energía. Los coeficientes de permeancia son de
utilidad en el diseño del circuito magnético externo. Se habrá observado
que este parámetro en realidad es una permeabilidad relativa, como se definió antes, pues, 110 es igual a 1. O en el sistema CGS de unidades. Los símbolos Bd para la densidad de flujo magnético y Hd para la intensidad de
campo seusanparadesignar las coordenadas de la curva dedesmagnetización.
Una vez que se seleccionó el tipo de imán permanente, el diseño de
las dimensiones del imán obedece el método general de la sección 2.4. De
la ley de Ampére,
(2.38)
donde
Ift ==
~,
intensidad de campo magnético del imán, en Oe.
= longitud del imán, en cm
intensidad de campo en el entrehierro = densidad de flujo en
el entrehierro (en unidades CGS)
~= longitudes del entrehierro, en cm
~nl::: caída de reluctancia en otras porciones ferromagnéticas del
circuito, en Gilberts
~=
El área de la sección transversal del imán se calcula a partir del flujo requerido en el entrehierro, de la siguiente manera:
-.J
o
(j
::;
..., .
::::
ªo
Tabla 2.3 Características de los imanes permanentes
Tipo
3'"
Densidad de
Fuerza coercitiva Prad. de energía máx. Permeabilidad de
He (oersted)
(gauss-oersted X 1<Y') rebobinado (promedio)
flujo residual-Br (gauss)
Acero al carbón 1 %
Acero al cromio 3.5%
Acero al cobalto 36%
AInico I
AInico IV
AInico V
AInico VI
AInico VIII
Cunife
Cunico
Vicalloy 2
Platinum-cobalt
Ferrita de bario isotópica
Tipo A orientado
Tipo B orientado
Ferrita al estroncio
Tipo A orientado
Tipo B orientado
Cobalto-tierra rara
9,000
9,500
9,300
7,000
5,500
12,500
10,500
7,800
5,600
3,400
9,050
6,200
2,200
3,850
3,300
50
65
230
440
730
640
790
1,650
570
710
415
4,100
1,825
2,000
3,000
4,000
3,550
8,600
2,200
3,150
8,000
0.18
0.29
0.94
1.4
l.3
5.25
3.8
5.0
1.75
0.85
2.3
8.2
1.0
3.5
2.6
3.7
3.0
18.0
~<1>.
::t
..., .
e
35
10
6.8
4.1
3.8
4.9
1.4
3.0
l.l
l.l5
1.05
1.06
1.05
1.05
1.05
'"~
<1>
0
~
'"0
0
<1>
'"
...,~
o'
::::
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o'
'"
~
~
i
l~'
Razón de permeancia
8.5
9
9.5 10
11
12
13 14 15 16
6.0 ~
5.5 ~
5.0 ; :
14.
13.
12.
11.
10.
9.
8. ¡....-
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75
150
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40 50
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6.5 '-....
2.5
30
14. 13. 12. 11. 10. 9. 8. 7. 6. 5. 4. 3. 2. 1.
7.0 ~
3.0
20 22 25
Producto de energía (Bd Hd X 106 )
"
7.5 ~
3.5
18
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1600
1200
1400
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~
1000
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6
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4
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2
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r. r-r
-If.
t? 7
J ;:
Ij I~
V
O
200
o
Fuerza desmagnetizan te H (Oe)
FIGURA 2.13 Curvas de desmagnetización y productos de energía para Alnicos 1 a 8. Clave: 1, Alnica 1; 2, Alnico 11; 3, Alnico III; 4, Alnico IV; 5, Alnico
V; 6. Alnico V-7; Alnico VI y 8, Alnico VIII.
Razón de permeancia
1.5
~
2.0
~
1.75
'-....
2.5
4.0
3.0
".
\.
5.0
6.0
8.0 10.0
,\\\\
1.25 '---
30.0
\
\\
Producto de energía
(BdHd
x 106 )
504540353025201510050~
~ // JI / 1/ I l- .....
~V/ / / lIy¡ r1 -/ .....
/ / / ~ /-r/ Vj. ~1
~ ~ ~ ~V k :/ -/ vi v¡ V
1.0 "
4
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2.6
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~
V
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V
./
?
L.~ ~ ~
./
v::
V
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V
¡--
2.4 2.2
2.0
1.8 1.6 1.4
1.2
Fuerza desmagnetizante H (kOe)
~ rf
~
> / I
V
-----
1.0
e
:2
o
o
/
V
~
0.8
0.6
/"
:>
1
V
0.4
0.2
O
FIGURA 2.14 Curvas de desmagnetización y de productos de energía para
imanes de cerámica Indox. Clave: 1, Indox 1; 2, Indox 11; 3, Indox V; 4, Indox VI-A
o
-g
72 Circuitos magnéticos de C.A. y
c.c. estacionarios
(2.39)
donde
Bd = densidad de flujo en el imán, en Gauss
A m = área de la sección transversal del imán, en cm 2
Bg == densidad de flujo en el imán, en Guass
Ag = área de la sección transversal del entrehierro, en cm 2 •
K 1 = factor de fuga
El factor de fuga K 1 es la razón del flujo que emerge del imán entre flujo
en el entrehierro. La diferencia entre estos dos flujos es el flujo de fuga en
las regiones del espacio entre el imán y el entre hierro de aire. El factor de
fuga puede determinarse por los métodos descritos en secciones previas
de este capítulo o mediante otros métodos estándares más exactos. A través del tiempo se han establecido cierto número de fórmulas para las configuraciones comunes utilizadas en circuitos magnéticos deimán permanente
y pueden encontrarse en las referencias bibliográficas 1,2 Y 3. Dos de estas
fórmulas se ilustrarán en los ejemplos que siguen.
Ejemplo 2.9
Determinar la longitud y área de la sección transversal de los imanes de la
figura 2.15 para producir una densidad de flujo de 2500 G en el entrehierro. El imán permanente que va a usarse es alnico V; las dimensiones en la
figura 2.15 son: 19 = 0.4 cm, W = 6.0 cm y el área del entrehierro es =
4.0 cm 2 (2 cm X 2 cm). Se supone que la reluctancia en las porciones de
hierro blando del circuito es insignficante, dando una caída de reluctancia
V m i igual a cero. Se estima que el factor de fuga es de 4.0 y que el imán
se operará en su condición de producto de energía máximo (rodillo de la
curva de desmagnetización en la figura 2.13).
De la ecuación (2.39):
Am =
BgAgK¡
(2500)(4.0)(4.0)
2
Bd =
10,500
= 3.8 cm
De la ecuación (2.38), observando que Hg
1m =
= Bg
en unidades CGS,
(2500)(0.4)
.
450
=2.22 cm= H (en la fIgura 2.15)
En la figura 2.15, la dimensión lm determina lasdimensionesH y G. Ahora,
se debe comprobar la hipótesis, sobre el factor de fuga. De la ref. 2, se to-
Circuitos magnéticos con imanes permanentes 73
Imán
~I~~-------w--------~>~I
FIGURA 2.15 Circuito magnético con imán permanente
ma un factor de fuga para esta configuración, que se basa en mediciones
experimentales y cálculos semejantes a los descritos previamente en este
capítulo, con un valor
(2.40)
donde
CH
Cw
Ce
=
perímetro de la sección transversal del circuito de long. H
= perímetro de la sección transversal del circuito de long. W
= perímetro de la sección transversal del circuito de long. G
El factor 0.67 en el tercer término dentro del paréntesis rectangular en la
ecuación (2.40) procede de la característica de los imanes permanentes de
tener una "zona neutral" que no contribuye a la figura. A partir de los calculos de longitud y área anteriores, es posible calcular los parámetros de longitud en la ecuación (2.40) y estimar los perímetros de las diversas secciones
transversales: H = 2.22 cm, G = 0.91 cm, W = 6.0 cm, Ce = 8 c, Cw = 8.0
cm y CH = 7.8 cm. Sustituyendo estos valores en la ecuación (2.40) se
obtiene
K] =4.062
Este valor puede introducirse en la ecuación (2.39), originando un cambio
ligero en el área A In del imán. A la vez este cálculo puede requerir algunos
74 Circuitos magnéticos de C.A. y C.C. estacionarios
cambios en otras dimensiones usadas en la ecuación (2.40), dando un nuevo valor para el factor de fuga. Algunas iteraciones de estas fórmulas, por
lo general son necesarias para obtener un conjunto uniforme de dimensiones para el circuito magnético total.
El valor elevado del factor de fuga obtenido para la configuración de
la figura 2.15 indica que éste no es un circuito magnético muy eficiente.
Dicho de otra manera, el imán permanente se encuentra en una posición
errónea dentro del circuito magnético. La fuga alta en esta configuración
puede fácilmente explicarse por medio de la ley de Ampére y la teoría elemental de los circuitos magnéticos presentada con anterioridad en este
capítulo. Un uso mucho más eficiente del imán permanente en esta configuración se obtiene colocándolo adyacente al entrehierro, como se muestra en la figura 2.16. De la Ref. 2, el factor de fuga para la figura 2.16 es
(2.41)
Con las mismas dimensiones para todas las secciones del circuito de la figura 2.16 como se usaron para la ecuación 2.15 (aunque esto pudiera resultar en un imán permanente de dimensiones excesivas), al sustituirlas en
la ecuación 2.41 se tiene
K¡ = 1.624
que es menor a la mitad del factor de fuga encontrado para la configuración de la figura 2.15
Es interesante ver el volumen de material de imán permanente necesario para establecer un flujo dado en el entrehierro de aire. Al resolver para
Am en la ecuación (2.39) y para 1m en (2.38) (sin considerar a V mi) Y
observando que en el sistema CGS Hg = Bg, se obtiene
(2.42)
Se ve que el volumen de imán es una función del cuadrado de la densidad
de flujo en el entrehierro. La importancia del factor de fuga para reducir
al mínimo el tamaño del imán es obvia observando esta ecuación. El denominador de la ecuación (2.42) es el producto de energía, que es función
del material de imán permanente y del punto de operación en la curva de
desmagnetización del imán.
El parámetro razón de permeancia, mostrado en las figuras 2.13 y 2.14,
es la razón de la permeancia equivalente del circuito externo,AgK¡ /lg en-
Circuitos magnéticos con imanes permanentes 75
FIGURA 2.16 Uso eficiente de imanes permanentes en un circuito magnético.
tre la permeancia del espacio ocupado por el imán permanente A m 11m
en el sistema CGS de unidades. Esto puede observarse resolviendo para
Bd en la ecuación (2.39) y para Hd en la (2.38), (sin tomar en cuenta a
V mi) Y formando la razón
(2.43)
La ecuación (2.43) es tan simple en apariencia que puede engañar, ya que
el trabajo para obtener una expresión analítica para K 1 es muy difícil, como se vio. Además, la caída de reluctancia V m i en las partes de hierro,
blando del circuito magnético debe incluirse de alguna manera en la ecuación (2.43). Esta es una tarea aún más difícil, pues la caída de reluctancia
es función del punto de operación del imán permanente Bd Hd Y de los
efectos del flujo de fuga en el hierro. La caída de reluctancia se introduce
por lo general mediante un factor similar al factor de fuga y se basa en mediciones de configuraciones de circuitos prácticos. Las diversas expresiones
en la ecuación (2.43) tienen valor al observar las relaciones generales entre
parámetros magnéticos al variar la permeancia del circuito externo. Esto
conduce al segundo tipo de imán permanente.
Los circuitos con entrehierro variable se describirán brevemente con
la ayuda de la figura 2.17. Sin olvidar la ecuación (2.43), obsérvese la variación de B y H de un imán permanente, al modificarse la permeancia
del circuito externo. La figura 2.17 muestra una característica B-H típica
de segundo cuadrante para un imán permanente. En teoría, es posible tener una permeancia infinita en el circuito magnético externo que corres-
76 Circuitos magnéticos de C.A. y C. C. estacionarios
H (Oe)
FIGURA 2.17 Característica B-H de segundo cuadrante para un imán permanente.
pondería a ~ = 90° en la ecuación (2.43), con un punto de operación de
imán en Bd = Br Y Hd = O de la figura 2.17. Este sería aproximadamente el comportamiento de un imán permanente con circuito externo,
sin entrehierro y con un miembro de hierro blando de alta permeabilidad,
llamado a menudo "conservador". En la práctica, sin embargo, siempre
existe un pequeño entrehierro equivalente y una caída de reluctancia reducida en el conservador y el punto de operación se encuentra a la izquierda
de Br Y ~ es menor de 90° .
Para un entrehierrofinito, el punto de operación se encuentra en algún
punto A de la curva B-H y el imán permanente creará la intensidad de
campo magnético HA para compensar la caída de reluctancia en el entre-
Circuitos magnéticos con imanes permanentes 77
hierro yen otras porciones del circuito magnético externo. Si se incrementa el entrehierro, Pge se reduce y el imán debe generar una intensidad de
campo magnético mayor; Hd. En la ecuación (2.43) se ve que a decrece y
que el punto de operación en la figurar 2.17 se desplazará más a la izquierda hasta el punto B en a B. Si el entre hierro regresa en seguida a su valor
original, el punto de operación no regresa a A, sino más bien a C. Si el entrehierro varía sucesivamente entre los dos valores, el punto de operación
trazará un ciclo de histéresis menor entre B y C, como se muestra en la figura 2.17. La pendiente de este ciclo se conoce como permeabilidad de
rebobinado; dado que se trata de una pendiente en el plano B-H, algunas
veces se le llama permeabilidad incremental, como se definió en la ecuación
(2.11). Esta premeabilidad es un parámetro importante de los imanes permanentes en aplicaciones de entrehierros variables. En la tabla 2.3 se dan
valores de este parámetro para los imanes permanentes expuestos.
Bibliografía
1. H. C Roters, Electromagnelic Deuices, John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1941.
2. "Design and Applications of Permanent Magnets" Indiana General Corporal Ion
Manual No. 7, Valparaiso, Indiana, 1968.
3. "Permanet Magnet Design", Thomas and Skinner, Inc, Bulletin M303 Indianáp >lis,
Indiana 196'1.
4. L. V. Bewley, Two-Dimensional Fields in Electrical Engineering, Macmillan Publishing Co., Inc., Nueva York, 1948.
5. P. Silvester, Modern Electromagnetic Fields Prendice -Hall, Inc_, Englewood Cliffs,
N. J., 1968.
Problemas
2.1 De las características materiales magnéticas mostradas en la figura 2.4, determinar
la permeabilidad en amplitud relativa, en una densidad de flujo de 1.0 T para los
siguientes materiales: a) Deltamax, b) M-19 Y e) AISI 1020.
2.2 En la sección 2.3 se estableció que el área comprendida por el ciclo de histéresis
en c.c. de un material magnético, es igual a la pérdida por histéresis de ese ma·
terial. Con referencia a la figura 2.2, encontrar las unidades SI de esta pérdida a
partir de las coordenadas del ciclo de histéresis.
2.3 En la figura 2.4, determinar la permeabilidad diferencial relativa para el material
48NI, en una densidad de flujo de 0.8 T.
2.4 El acero al silicio al 3% designado como M-19 en la figura 2.4 se usa mucho en
transformadores de potencia pequeños, en motores de inducción y en otros dispositivos electromagnéticos utilizados en circuitos electrónicos. En este capítulo se
estableció que hay una parte de la característica B-H, en la cual la relación es aproximadamente lineal. El'to no se aprecia necesariamente en la figura 2.4, pues se
trazaron las curvas en papel semilogarítimico con el objeto de describir la característica en un intervalo más amplio. Trazar de nuevo la curva M-19 en papel de
78 Circuitos magnéticos de C.A. y C,c. estacionarios
coordenadas rectangulares y determinar el intervalo de B, dentro del cual la característica pueda considerarse lineal. ¿Cuál es la permeabilidad relativa en este
intervalo?
2.5 Derivar una ecuación para describir la línea recta o porción lineal de la curva B-H
para M-19, obtenida en el problema 2.4.
2.6 Si fuera necesario usar la característica. B-H de M-19, en un programa de diseño de
computadora digital para un transformador en electrónica ¿cuál. sería el modelo
de esta característica, incluyendo saturación y características iniciales?
2.7 Discutir el significado físico de la primera ecuación de Maxwell (2.1), en base a la
naturaleza de las líneas de flujo magnético (líneas de corriente magnética).
2.8 Un entrehierro tiene un área de una pulgada cuadrada y una longitud de un mm.
¿Cuál es la reluctancia y la permeancia de este entrehierro en unidades SI?
2.9 En el entrehierro del problema anterior existe un flujo de 0.02 Wb. Suponiendo
que no hay efectos de borde, ¿cuál es el potencial magnético (FMM) a través del
entrehierro?
2.10 Tómese una región del espacio descrita por coordenadas cilíndricas convencionales
r, <p y z. Un solenoide infinitamente largo de radio rl' se extiende a lo largo del
eje z y tiene su centro en el mismo eje. El solenoide tiene N vueltas/m de longitud
y porta una corriente de 1 Amp. No se tome en cuenta la pequeña componente
z de la corriente y supóngase que ésta es únicamente "circular" para cualquier valor finito de z. En cualquier punto del espacio (por ejemplora , <Pa y Za) ¿con qué
coordenada dimensional varía la intensidad de campo magnético H? La ley de
Biot-Savart puede ser de utilidad para responder a esta pregunta. ¿Cuál componente de H existe en cualquier punto del espacio? Contestar estas preguntas para
puntos interiores y exteriores del radio, rl'
2.11 Mostrar que Hz = NI para r < rl en el solenoide del problema anterior.
2.12 Un toroide de radio medio de 0.1 m se construye con tiras de 0.14 m de material
magnético 48NI. La densidad de flujo en el material magnético es de 0.6 T. Considerando los efectos del "factor de pila", determinar la corriente en un solenoi.
de de 100 vueltas requerida para manter esa densidad de flujo.
2.13 El toroide del problema anterior se secciona para formar un entrehierro de 1 mm
de longitud. ¿Qué corriente requiere la bobina para mantener la misma densidad
de flujo que se tenía en el problema 2.12? Las fugas y los efectos de borde se ig·
noran.
2.14 Para el circuito magnético que se muestra en la figura 2.18, determinar la FMM
de la bobina de excitación requerida para producir una densidad de flujo de 1.6
T en el entrehierro. No se tomen en cuenta fugas ni efectos de borde. En esa fi·gura, las longitudes medias de las porciones del circuito magnético con áreas de
sección transversal constantes son 1m 1 = 45 cm, Am 1 = 24 cm 2 , 1m 2 = 8 cm,
2
A m2 = 16 cm ; Ig = 0.08 cm y Ag = 16 cm 2 •
2.15 Para el circuito magnético de la figura 2.19, determinar la corriente en una bobina
de 100 vueltas para establecer un flujo de 0.1 Wb en el entrehierro. Tomar un factor de borde de 1.09 y pasar por alto el flujo de fuga.
2.16 La figura 2.20 muestra la sección transversal de una parte del circuito magnético
que se encuentra en ciertos tipos de motores de reluctancia escalonados. Las secciones rectangulares en la base del circuito magnético, son secciones transversales
de sectores magnéticos colocados en discos rotatorios. Existen tres entrehierros de·
igual longitud, que separan a estos sectores de disco entre sí y del circuito magné-
Circuitos magnéticos con imanes permanentes 79
't
m1
'
1m2
,4,,'2
~
Bobina
'+--+-h
'I!.
r
A m1
1m2
FIGURA 2.18 Figura para el problema 2.14.
Area de la sección
/transversal = 25 cm 2
~
/
25 cm
11-19
~;Núcleo
p
e
(
p
(
~
Bobina de
N vueltas
'--~
-r-""'--
o. 2-cm
Entrehierro
d e aire
10 cm
;1
/
~
25 cm
Area de la sección transversal
= 100.cm 2
FIGURA 2.19 Figura para el problema 2.15.
tico de "retorno" en forma de U. El símbolo <PI representa el equivalente neto de
todos los flujos de fuga a través de los espacios de aire entre los lados del imán en
U y puede creerse que está concentrado en III localidad del circuito magnético
mostrada en la figura 2.20.
Las dimensiones del circuito son las siguientes:
Entrehierros: Ig = 1 mm, Ag = 4 cm 2
Sectores de rotor: Ir = 1 cm, Ar = 4 cm 2 ; Mat: 48NI
SecciónU:l m1 =5cm,A m1 =4cm 2 ,lm2 = 12cm,A m2 =6cm 2
Material: M-19
80 Circuitos magnéticos de C.A. y C. C. estacionarios
r r r
I
'm2
<p/
'
m1
Im1
J
1
DD
L
I
FIGURA 2.20 Figura para el problema 2.16
Se decubrió un <PI = 0.0003 Wb, cuando la densidad de flujo en el entrehierro es
de 1.2T; en estas condiciones.
a) Encontrar el potencial magnético a través de la trayectoria de fuga equivalente.
b) Determinar la permeancia en unidades SI de la trayectoria de fuga equivalente.
c) Determinar el flujo a través de la bobina de excitación.
d) Determinar la corriente requerida en una bobina de 10 vueltas para producir
este flujo.
e) Calcular la inductancia de fuga de la bobina.
Trazar el circuito c.c. equivalente (de la misma manera que en la figura 2.9)
para este circuito magnético.
n
2.17 Haciendo referencia a los dos configuraciones de imán permanente mostradas en
las figuras 2.15 y 2.16, explicar la gran diferencia entre los flujos de fuga, de estas
dos configuraciones. Como ayuda en este análisis, imáginar un potencial magnético relativo V m' a través del entrehierro de 1.0 en cada circuito y relacionarlo
con el potencial calculado entre las secciones superior e inferior del circuito (de
anchura W).
2.18 Con base en el análisis hecho en el problema 2.17, ¿dónde debería localizarse la
. bobina excitatriz del circuito de la figura 2.8 (suponiendo que sólo se requiriera
una bobina) para reducir al mínimo el flujo de fuga?
2.19 Un toroide no magnético tiene una sección transversal cuadrada de 2 X 2 cm. El
diámetro interior del toroide es de 8 cm y el exterior de 12 cm. Se devana una bobina de 1200 vueltas uniforme y ajustada alrededor del toroide. Si se supone un
Circuitos magnéticos con imanes permanentes 81
rr
80
Devanado
60
1
30 ---..;,-k-
-~--30
.~Iiol
o.
mm
FIGURA 2.21 Figura para la sección transversal del solenoide del problema
2.22. Todas las dimensiones están en mm. El émbolo y el estuche magnético
de 40 mm son perpendiculares al plano del papel.
flujo de fuga nulo y una distribución del flujo uniforme en la sección transversal
del toroide,
a) calcular la densidad de flujo en el diámetro medio (centro de la sección transversal del toroide) y
b) determinar la inductancia de la bobina.
2.20 Repetir el problema 2.19 sin suponer, que la distribución de flujo es uniforme en
la sección transversal del toroide.
2.21 Una bobina de una vuelta lleva una corriente de 5 A. Determinar la inductancia
de esta bobina si
a) la energía total almacenada en el campo magnético es de 0,01 J,
b) el flujo total encerrado por la bobina es de 0.005 Wb.
2.22 La figura 2.21 muestra la sección transversal de un solenoide típico, usado como
accionador mecánico en muchas aplicaciones industriales, tales como control de
válvula hidráulico. La sección superior del émbolo es de material no magnético.
La fuerza magnética para mover al émbolo se genera en la región del entre hierro
situada en la base del émbolo. Las regiones no magnéticas donde se localiza la bobina se conocen como "ventanas" del solenoide. El factor de "relleno" de un solenoide o transformador es la razón entre el área total de la sección transversal del
cobre (o aluminio) en la bobina y el área de la ventana.
a) En las dimensiones que se muestran, ¿cuántas vueltas de alambre magneto de
cobre No. 24 AWG pueden usarse en la bobina de excitación si el factor de relleno es de 75% ?
b) El entrehierro que se muestra en la figura 2.21 es el inicial para el solenoide.
Determinar la corriente en la bobina seleccionada en a) para establecer una
82 Circuitos magnéticos de e.A. y
e.e. estacionarios
densidad de flujo de 1.0 T en el entrehierro bajo el émbolo. Omitir fugas y
efectos de borde.
e) En el uso de soleniodes es importante a menudo su velocidad de respuesta. El
retardo del circuito eléctrico se relaciona con la constante de tiempo r del
circuito R-L de la bobina de excitación. Si se supone que la bobina se energiza
con una fuente de voltaje constante y que el factor de "relleno", la densidad
de flujo del entrehierro y la longitud no se modifican, ¿afectará a la constante
de tiempo un cambio en el número de vueltas de la bobina excitatriz?
d) En condiciones fijas de e) ¿se modificará la constante de tiempo si en vez del
material magnético M-19 se usa Deltamax?
2.23 Va a construirse un circuito magnético de la configuración de la figura 2.16, usando miembros de hierro dúctil e imanes permanentes de ferrita Indox V. Las dimensiones son: 19 = 1 cm, W = 5 cm; área de entrehierro Ag = 3.5 cm 2 • Si la
densidad de flujo requerida en el entrehierro es de 0.1 T, determinar la longitud
y el área de la sección transversal de los imanes Indox V. Supóngase que K 1 =1.5
Y pasar por alto los efectos de borde.
2.24 Diseñar una excitación de imán permanente para el circuito magnético de la figura
2.18 (problema 2.41), utilizando cualquiera de las características de imán permanente descritas en este capítulo. El imán sustituirá las porciones de los miembros
de hierro dúctil de la figura 2.18. ¿Se aplican en este problema todos los tipos de
imanes permanentes?
Capítulo 3
Transformadores
Este capítulo se iniciará aplicando los principios generales y los métodos de análisis desarrollados en el último capítulo, a un dispositivo electromagnético específico: el transformador. Dado que el transformador es una
estructura electromagnética relativamente sencilla, resulta de utilidad para
ilustrar esos principios y para establecer relaciones que serán aprovechadas
posteriormente en el análisis de estructuras electromagnéticas más complicadas. El transformador tiene gran importancia como elemento de muchos
tipos diferentes de circuitos eléctricos, desde circuitos electrónicos de señales débiles hasta sistemas de transmisión de potencia en altas tensiones. Es
fundamental conocer la teoría, las relaciones de diseño y las capacidades de
operación de los transformadores, para comprender el funcionamiento
de muchos sistemas electrónicos, de control y de potencia. Por consiguiente, tanto como medio para entender algunos principios electromagnéticos
básicos, como por ser parte importante de los sistemas eléctricos, el transformador requiere un estudio cuidadoso.
Las funciones más comunes de los transformadores son (1) cambiar
los niveles de voltaje y corriente en un sistema eléctrico, (2) acoplar impedancias y (3) aislar eleétricamente. La primera de estas funciones es problablemente la más conocida por el lector y es la que realiza el transformador
de distribución de energía eléctrica colocado en el poste eléctrico cercano,
el cual reduce el voltaje de las líneas de distribución por ejemplo, 2 300 V
a los voltajes domésticos de 115/230. La segunda función se encuentra en
muchos circuitos de comunicación y se usa, por ejemplo, para acoplar una
carga a una línea, transferir óptimamente la potencia y reducir al mínimo
las ondas estacionarias. La tercera posibilidad se utiliza para eliminar el
ruido electromagnético en diversos tipos de circuitos; para bloquear señales de c.c. y para seguridad al usuario de instrumentos eléctricos y utensilios.
83
84 Transformadores
Los transformadores se emplean en circuitos de todos los niveles,
desde el microvolt de algunos circuitos electrónicos hasta los voltajes más
elevados que se usan en sistemas de potencia, que en la actualidad alcanzan
los 750 000 V. En algunas aplicaciones de pulsos se pueden alcanzar voltajes aún más elevados. Además, los transformadores encuentran aplicación
en todo el espectro de frecuencia de los circuitos eléctricos, desde frecuencias cercanas a la c.c. hasta centenares de megaHz, en formas de onda sinusoidales continuas y de pulsos. El tamaño y la forma de los transformadores
varían mucho también; algunos no exceden las dimensiones de un frijol y
otros alcanzan las dimensiones de una casa pequeña.
El transformador es básicamente un dispositivo estacionario, aunque
existen algunos transformadores especiales en los que hay cierto movimiento de algunas partes de la estructura electromagnética. Como ejemplos
de transformadores con elementos móviles están los de corriente continua
que se usan a veces en sistemas de alumbrado público en serie, algunos tipos de reguladores de voltaje empleados en sistemas de distribución de potencia y el auto transformador variable, en el que sólo se mueve el contacto
entre el devanado primario y el secundario. En este capítulo se tratarán solamente los transformadores estacionarios. En el capítulo se presentó un
método sucinto para analizar sistemas electromagnéticos. Se procederá
aquí con el primer paso de este método al describir la construcción física
y la estructura electromagnética del transformador de dos devanados.
3.1 CONSTRUCCION y ESTRUCTURA ELECTROMAGNETICA DEL
TRANSFO RMADO R
La estructura magnética de un transformador se compone de uno o más
devanados eléctricos enlazados magnéticamente mediante un circuito
magnético o núcleo. El circuito magnético de la mayor parte de los transformadores se construye con material magnético, aunque en algunas aplicaciones se usan materiales nb magnéticos, denominados con frecuencia
"núcleo de aire". También, en ciertas aplicaciones especiales, el circuito
magnético puede estar formado por un material magnético en serie con
un entre hierro de aire. Cuando hay más de dos devanados en un transformador, dos de ellos realizan funciones idénticas. Por lo tanto, para comprender la teoría y funcionamiento de un transformador de devanado
múltiple, sólo es necesario considerar las relaciones existentes en dos de
los devanados. El autotransformador, con sólo un devanado, se tratará en la
sección 3.7.3. Los dos devanados básicos se denominan frecuentemente
primario y secundario. El significado que usualmente se atribuye a esta designación, es que la entrada o fuente de energía se aplica al devanado primario y que la energía de salida se toma del devanado secundario. Sin embargo,
como un transformador es un dispositivo bilateral, que se opera así con
frecuencia, ese significado no tiene mucha importancia yesos términos se
Construcción electromagnética del transformador 85
Núcleo
D evanado
P rimario
1--
--
f--
r--
1--
Devanad o
secundar io
FIGURA 3.1. Modelo elemental de un transformador
usan sobre todo para diferenciar un devanado del otro. Es más común designar los devanados con subíndices y se hará así en este capítulo. En la figura 3.1 se muestra un modelo de transformador simple de dos devanados.
La construcción de los transformadores varía mucho en función de
sus aplicaciones, de las razones de voltaje y corriente de devanado, y de las
frecuencias de operación. Muchos de los transformadores usados en electrónica poseen ~lgo más que la estructura electromagnética misma, dispo~
niendo de medios adecuados para su montaje en marcos. En general, la
estructura electromagnética se encierra en un tanque o caja con propósitos
de seguridad y protección. En varios tipos de transformadores se llena el
espacio que rodea a la estructura electromagnética con un material aislante
para evitar que se dañen los devanados o el núcleo, impedir su movimiento o
facilitar la transferencia de calor entre la estructura electromagnética y el
tanque. En los transformadores de electrónica se emplea un material aislante
viscoso llamado "compuesto de marmita", y en muchos transformadores
de potencia se utiliza un aceite aislante no inflamable denominado aceite de
transformador.
El aceite de transformador realiza una función adicional al mejorar
las características aislantes del transformador, ya que tiene una resistencia
eléctrica superior a la del aire. En la mayoría de los transformadores que
utilizan aceite, éste se hace circular a través de aletas o tubos de enfriamiento
situados fuera del tanque, para mejorar las características de transferencia
de calor. Las aletas o tubos se enfrían a menudo mediante aire comprimido.
Las figuras 3.2 a, b y c ilustran transformadores prácticos de diferentes tipos
y aplicaciones. En transformadores mayores que operan en niveles elevados de voltaje y corriente existen otros componentes estructurales importantes, algunos de los cuales pueden verse en la figura 3.3. Tales componentes
incluyen boquillas (bushings) de porcelana, a través de las cuales se sacan
las puntas de devanado para las conexiones externas; medidores de presión y
temperatura, y soportes estructurales internos para evitar movimientos de
los conductores o devanados que pueden causar las fuerzas electromagnéticas resultantes de los elevados niveles de corriente.
El núcleo magnético de un transformador debe construirse de tal manera que se reduzcan al mínimo las pérdidas magnéticas. En el capítulo 2
se describieron brevemente estas construcciones de núcleo. Los núcleos de
FIGURA 3.2a Elementos de un transformador de potencia en electrónica,
entre los que se muestra el núcleo magnético con devanados típicos y de tiras
de laminaciones. (Cortesía de AlladinMagneticsCorp.).
FIGURA 3.2b Transformador ferrorresonante de voltaje constante. A la izquierda se muestra el condesador. (Cortesía de Sola Electric Division of Sola
Basic Industries).
FIGURA 3.2c Transformador de pulsos, usado con frecuencia en circuitos de
disparo de compuerta de thyristor. (Cortesía de Alladin Magnetics Corp.)
FIGURA 3.3. Un transformador de potencia (Cortesía de General Electric
Company).
88 Transformadores
transformadores de potencia se construyen por lo general con materiales
magnéticos blandos en forma de lámina con horadaciones o cintas enrroIladas. El espesor de la lámina o cinta depende de la frecuencia a que opere
el transformador. Los núcleos de transformadores para pulsos y para alta
frecuencia en electrónica se construyen por lo común con ferritas blandas.
En electrónica, las láminas usadas en transformadores se llaman con frecuencia laminaciones en "alfabeto", debido a que tienen la forma de varias
letras del alfabeto y se denominan núcleos E, e,I, U, etc. Los núcleos de
ferrita se designan con los nombres de copa, marmita, varilla, lingote y otros,
con lo que se describe la forma general de estos núcleos. Los materiales
más comunes para laminación son las aleaciones de silicio-hierro, níquel-hierro y cobalto-hierro. El permaIloy en polvo se usa en muchos núcleos de
transformadores de comunicación.
Los devanados de transformador se construyen con conductores sólidos o cables de cobre o aluminio. El conductor usado en transformadores de
electrónica -así como en muchos motores y generadores de tamaño pequeño y mediano- se conoce como alambre magneto. Está formado por
alambre de cobre con una capa delgada de esmalte para aislamiento eléctrico. El alambre magneto se clasifica por un símbolo de tipo de aislamiento:
A, B, e, F y H, que designa la temperatura de operación sin riesgo a la que
puede utilizarse el alambre. Las letras bajas indican la temperatura de ope0
ración baja (150 e para clase A) y la clase H tiene la temperatura de opera0
ción más elevada de las clasificaciones normales en 180 e. También puede
obtenerse alambre magneto con cubiertas de tela (o forrados) sobre el esmalte, para una mayor protección contra raspaduras o cortes. Las dimensiones del conductor se asignan por un sistema conocido como" American
Wire Gauge-abreviado A WG-con número de medida que aumenta al decrecer
la sección transversal del conductor. En el apéndice II se da una parte de las
tablas AWG.
En transformadores que presentan núcleos con abertura longitudinal
de las configuraciones E, e, U y toroidales, los devanados se hacen en carretes aislantes, conocidos como bobinas. La bobina devanda puede enfundarse
convenientemente en una pierna de la sección de núcleo; las secciones restantes del núcleo pueden ensamblarse, y el conjunto completo de núcleo
que contiene al devanado se empalma por lo general con una cinta metálica. El objeto de la bobina es proporcionar un soporte estructural para
el devanado, aislándolo eléctricamente del núcleo, así como para evitar
raspaduras o cortes del devanado en las aristas del núcleo. Las bobinas de
un transformador se construyen con nylon, teflón y diversos papeles y
productos de fibra. Para mejorar el acoplamiento magnético entre los
dos devanados se usa con frecuencia una técnica bifilar, que consiste en
situar los conductores lado a lado y devanarlos en el núcleo o bobina simultáneamente. La figura 3.4 ilustra las diversas etapas del ensamblado de
un núcleo de transformador para electrónica.
Construcción electromagnética del transformador 89
FIGURA 3.4. Varias etapas del ensamblado de un transformador de circuitos
electrónicos (Cortesía de Alladin Magnetics Corp.).
Los devanados de transformadores de potencia elevada por lo común
usan conductores con aislamiento más pesado que el de alambre magneto.
Los devanados se ensamblan con un soporte mecánico mucho más grande
y las capas de devanado se aÍslan generalmente unas de otras. Los devanados
mayores para potencia elevada a menudo se prefabrican y el transformador
se ensambla apilando las laminaciones dentro de las bobinas prefabricadas.
Pueden consultarse las referencias 1, 2, 3 y 4 para detalles adicionales acerca de los aspectos estructurales de los transformadores de potencia y de
electrónica.
3.1.1 Clasificación de transformadores
En virtud de la gran diversidad de tamaño, forma y uso de los transformadores, se han hecho algunos intentos por designar tipos o clases de transformadores. Sin embargo, los términos usados para élasificarlos no están
definidos con precisión, y hay mucha ambigüedad en los significados de
éstos. Se han desarrollado más los términos atendiendo a los circuitos en
que se usan los transformadores y no a una delineación de características
del transformador. Dado que estos términos descriptivos se usan con profusión en los catálogos de los fabricantes de transformadores, y puesto
que auxiliarán en la descripción que sigue sobre características de transformadores y aspectos estructurales, a continuación se enlistan algunos de
los términos que catalogan a los tipos de transformadores básicos:
A. Clasificación de aplicación general
1. Transformadores de sistemas de potencia: usados en sistemas
de distribución y transmisión de potencia. Esta clase tiene los
valores nominales más elevados tanto de potencia o como voltampere, de voltaje continuo.
90 Transformadores
2. Transformadores de circuitos electrónicos: son de muy diferentes tipos y aplicaciones y, como su nombre lo dice, se utilizan
en circuitos electrónicos. Algunas veces se consideran como
transformadores de este tipo los que tienen valores nominales
de 300 V-A o menores. A una clase grande de transformadores de circuitos electrónicos se le llama "transformadores de
potencia", y son los que se usan para proporcionar potencia a
otro sistema electrónico, lo que da lugar a que se confunda considerablemente esta nomenclatura.
3. Transformadores de medición: los que se usan para detectar
voltaje o corriente tanto en circuitos electrónicos como en sistemas potencia, llamados transformadores de corriente y transformadores de potencia, respectivamente. Estos últimos son
dispositivos conectados en serie y operan en una configuración
que en muchos aspectos es la inversa del transformador convencional de voltaje o potencial. En la sección 3.7.4 se estudiará
el transformador de corriente.
4. Transformadores para especialidades: esta designación abarca
una amplia gama de estilos y aspectos de operación, e incluye
dispositivos como los transformadores de voltaje y corriente constantes, los ferrorresonantes y los de conmutador de derivaciones.
B. Clasificación por rango de frecuencia.
Este es probablemente el método más importante para clasificar transformadores y describir características de diseño electromagnético, e incluye lo siguiente:
1. Potencia: son por lo general transformadores de frecuencia
constante que operan en frecuencia de potencia (50,60,400 Htz,
etc.), aunque pueden presentarse otros componentes de frecuencia, incluso el de c.c., en transformadores de potencia de
circuitos electrónicos y con semiconductores.
2. Audio: utilizados en muchos circuitos de comunicación para
operar en audiofrecuencias.
3. De frecuencia ultra alta (UHF: ultra high frecuency).
4. De banda ancha: transformadores de circuitos electrónicos,
que operan dentro de un rango amplio de frecuencias.
5. Banda estrecha: transformadores de circuitos electrónicos, diseñados para un rango específico de frecuencia.
6. De pulsos: transformadores diseñados para usarse con excitación pulsante o de variación brusca, en aplicaciones de sistemas
de potencia y en electrónica.
C. Clasificación por el número de devanados
Ya se habló de esta clasificación que incluye transformadores
de un devanado (autotransformadores), de dos devanados (el con
Teoría del transformador 91
vencional) y los de devanados múltiples, donde un devanado se
define como un circuito eléctrico de dos terminales sin conexión
eléctrica con el resto de ci;rcuitos.
D. Clasificación por conexión polifásica.
Esta clasificación se aplica sobre todo a transformadores en sistemas de potencia y se refiere al método de conectar los devanados
individuales en aplicaciones polifásicas. En algunos transformadores, el conjunto polifásico completo de transformadores se encierra
dentro de un mismo tanque,obteniéndose alguna reducción en el
peso del núcleo magnético. Las conexiones más comunes son la Y
(o estrella) y la delta de los sistemas trifásicos. En la sección 3.7.2
se estudiarán brevemente esas conexiones y algunas otras.
3.2 TEORIA DEL TRANSFORMADOR
Anteriormente se han introducido varios términos y descripciones de transformadores. A continuación se verá el principio de operación del modelo
elemental de dos devandos de la figura 3.1. A pesar de las reservas expuestas en la introducción referentes al uso de las palabras "primario" y"secundario", es conveniente utilizarlas y asociar al primario el subíndice 1 y d 2
al secundario. No obstante, no debe olvidarse que se trata de términos a rbitrarios que no indican propiedades inherentes al transformador. Puesto que
se requieren algunas de estas designaciones arbitrarias para el análisis del
transformado- que se trasfieren subsecuentemente al análisis de muchos
otros dispositivos electromagnéticos -se adoptan aquí las convenciones utilizadas por organizaciones de normas internacionales y por el IEEE (Institute of Electronics and Electrical Engineers)5 . Por otra parte, se dan todas
las fórmulas en unidades 18 o MK8. El modelo de transformador elemental
de la figura 3.1 se repite como figura 3.5, agregando los parámetros para ese
análisis.
Un parámetro fundamental del transformador es la relación de vueltas,
definida como
NI
a=-
N2
(3.1)
El valor de esta relación lo conoce, por regla general, sólo el fabricante o el
responsable de los devanados en un transformador de laboratorio. Puede
calcularse en el laboratorio por mediciones de voltajes inducidos en los dos
devanados, aunque siempre hay un cierto grado de inexactitud que depende
del coeficiente de acoplamiento entre los dos devanados. No debe olvidarse esto en el análisis de un transformador. La razón de vueltas se da con
frecuencia como parte de los datos nominales de placa proporcionados por
el fabricante, para transformadores de sistemas de potencia y de circuitos
electrónicos.
92 Transformadores
/---- ... 4>'2
=
'
I
~~~----+-~~'
+
v,
t/J",--- . . . .
I
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1
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I
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I
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<1>2/1 \
s,
\
f
+
.......... N2
\~+-+-
"-"-----~
,------------_/
V2
______________-'
I
I
FIGURA 3.5. Modelo de transformador en el que se muestran voltajes, corrientes y flujos instantáneos.
En esta sección se considerará un transformador excitado con una
fuente de voltaje sinusoidal en una sola frecuencia, denotada con v I en la figura 3.5. Se analizarán en primer término los voltajes, corrientes y flujos
magnéticos de régimen estacionario. En secciones posteriores de este capitulo se estudiarán las características transitorias del transformador. Se iniciará
este estudio con las relaciones de campo electromagnético en el transformador, como una ayuda para comprender los fenómenos físicos que se
traducen en características externas del transformador.
No es menestar utilizar la teoría del campo magnético para describir
las características externas del transformador, que pueden analizarse totalmente mediante la teoría de los circuitos eléctricos. Los métodos de esta
teoría resultan adecuados para una gran cantidad de problemas de ingeniería eléctrica, tales como cuando el transformador se reperesenta por un
modelo matemático o como un caudripolo o "caja negra". Este método
de circuitos se discutirá posteriormente con más detenimiento en este capítulo, de acuerdo con los desarrollos del circuito equivalente del transformador.
3.2.1 Características de excitación
En la figura 3.5, supóngase que el conmutador S está abierto y que i2 = O. Esta condición se denomina condición sin carga y facilitará el establecimiento
de las relaciones sin carga o de voltaje y corriente de excitación. Se supondrá
que el voltaje aplicado es
(3.2)
donde
VI m = valor máximo de voltaje aplicado
w = 2rrt = frecuencia angular del voltaje aplicado
t = frecuencia en Hz.
Teoría del transformador 93
Suponer, de momento, que la resistencia del devanado NI, es nula. Entonces
v,+e,=O
ó
(3.3)
donde
el
= voltaje inducido electromagnéticamente en el devanado NI
De (2.27) del capítulo 2, este voltaje puede expresarse como
(3.4)
donde <P I = flujo magnético total que eslabona las NI vueltas (Wb).
De la figura 3.5, se ve que el flujo magnético total posee dos componentes:
(3.5)
donde
<P1l
<Pm
= flujo de fuga que eslabona sólo con el devanado NI (Wb),
= flujo "mutuo"; es decir, que eslabona con ambos devanados
(Wb).
Los conceptos de flujos de fuga y mutuo se discutieron en las secciones
2.4 a 2.7. Otra representación de las relaciones de flujo mostradas por (3.5)
tiene un uso común y conduce al concepto de inductancias propia y mutua,
como se desarrolló en el capítulo 2:
(3.5a)
donde k = coeficiente de acoplamiento entre los devandos 1 y 2. El significado de los subíndices del término de flujo mutuo <P I 2 "es el flujo que
eslabona con el devanado 2 debido a la corriente en el devanado 1". Si el
circuito magnético del transformador es isotrópico y homogéneo, existe
una relación simétrica entre ambas componentes de flujo mutuo, como lo
indicó (2.3):
-,'
..........~---------
",,,,,,,~,-
94 Transformadores
</>21 =</>12
(3.5b)
Pueden obtenerse las relaciones entre flujo y voltaje tomando la integral indefinida de la ecuación (3.4):
f eldt= -Nlf d</>
(3.4a)
Al resolver para el flujo y usando (3.3.), se obtiene
E lm
</>1 = -N coswt=</>Imcoswt
(3.6)
IW
Se ve entonces que si se aplica un voltaje sinusoidal, el flujo magnético resultante es cosenoidal. En la figura 3.6 se muestra esta relación mediante un
diagrama de fasores. Puede observarse que el fasor de flujo está atrasado
respecto al del voltaje aplicado en
7r
"2 radianes o 90° .
El componente de corriente que fluye en el devanado 1 se conoce
como corriente magnetizante. ruede obtenerse una expresión para esta corriente calculando el potencial magnético definido por (2.17):
(3.7)
donde
i 1 <P
=
corriente magnetizante
R
=
reluctancia del núcleo del transformador
Al sustituir rp 1 m de (3.6) y resolviendo para i 1 rp, se tiene
.
Elm R
ll</>= -2-coswt
N¡w
(3.8)
Esta ecuación no es bastante útil desde un punto de vista analítico, pues
no se ha introducido aún el papel que puede desempeñar la saturación del
circuito magnético. No obstante, explica tres relaciones fundamentales
del transformador y de otros circuitos inductivos, tales como inductores y
motores de inducción: (1) la magnitud de la corriente magnetizante es función de la razón voltaje-frecuencia El m /w, (2) la corriente magnetizante
varía inversamente con el cuadrado del número de vueltas NI en el devanado
de excitación, y (3) la reluctancia del circuito magnético del transformador
puede influir considerablemente sobre la magnitud de la corriente magne-
Teoría del transformador 95
1>1
FIGURA 3.6. Relaciones de fase entre componentes de excitación.
tizante. La primera de estas observaciones es un principio fundamental en
el uso de dispositivos inductivos, y debe tomarse en cuenta en todas las
aplicaciones de frecuencia variable o de voltaje variable. Se verá que la saturación en el circuito magnético tiende a acentuar considerablemente el incremento de corriente que resulta cuando esa razón se aumenta sobre el diseño
o razón nominal.
De las dos formas de (3.6) puede obtenerse otra relación útil entre
voltaje y flujo en un circuito sinusoidal:
(3.9)
Esta fórmula se expresará con una nomenclatura más general como la relación entre los valores máximos de voltaje inducido y flujo magnético en
un devanado de N vueltas excitado con una frecuencia f:
Em =2'1TjN<P m
(3.10)
El valor rcm del voltaje inducido (E m /-./2) es
E=4.44jN<P m
(3.11 )
Examínese ahora el papel de la saturación en el circuito magnético de
un transformador. En el capítulo 2 se describieron los conceptos básicos
de saturación y no linealidad de los materiales magnéticos. Con un ejemplo
se ilustrará el efecto de la saturación en un transformador.
Ejemplo 3.1.
En la figura 3.7 se muestra la relación de flujo vs ampere-vuelta del circuito magnético de un cierto transformador. Este transformador tiene un
devanado primario de 120 vueltas, excitado con una fuente de voltaje sinusoidal de 110 V (rcm) en 60 Hz. Determinar el valor máximo del flujo
96 Transformadores
magnético y la forma de onda de la corriente magnetizante. No se considere la resistencia del devanado.
De (3.11) se encuentra el flujo:
110
«P m = 4.44.60.120 =0.00343 Wb
La forma de onda del flujo es sinusoidal; en este problema no se requieren
relaciones de fase. La corriente magnetizante que resulta. se determina mediante la construcción gráfica ilustrada en la figura 3.7. Los valores de flujo
tomados de la onda sinusoidal de flujo, cuyo valor máximo es de 0.00343
Wb, se transfieren a la curva de saturación magnética, y el potencial magnético resultante o FMM para cada valor de flujo se lee de la abscisa de esta
curva. La corriente magnetizante se encuentra dividiendo la FMM entre
las vueltas, esto es, entre 120.
En el ejemplo anterior se puede observar que la corriente magnetizante en un transformador con saturación no tiene una forma de onda
sinusoidal. Existen otros parámetros de circuitos que también afectan esta
forma de onda en un transformador práctico real: la histéresis de la característica magnética alterará en cierta medida esa forma de onda, pero existen
otros parámetros de circuito en serie con el devanado, como la resistencia
de devanado, que influyen también en la forma de la onda. En algunos casos, la naturaleza de la fuente de excitación puede cambiar la forma de la
onda, especialmente si la fuente es un dispositivo de alimentación de voltaje
o corriente regulado electrónicamente. La magnitud relativa de las pérdidas
en el núcleo magnético puede también influir en la forma de la onda de
corriente. En muchos transformadores, el circuito magnético se diseña de tal
manera que el flujo máximo requerido opere aproximadamente en la rodilla de la curva de saturación con el voltaje nominal aplicado. Esto reduce la
cantidad de distorsión de la onda sinusoidal de la corriente magnetizante.
Si el transformador se opera en una razón voltaje/frecuencia arriba de su
valor de diseño, puede incrementarse considerablemente la distorsión de
la corriente magnetizante. Por ejemplo, si el transformador del ejemplo 3.1
se excitara con una fuente de 110 V, 50 Hz, el flujo máximo sería, a partir
de la ecuación 3.11, igual a 0.0041 Wb. La observación de la construcción
gráfica de la figura 3.7 muestra que esta operación aumentaría mucho la
punta en el centro de la media onda de corriente.
La corriente magnetizante se requiere para establecer el flujo mutuo
que hace posible la acción de transformador y es, por consiguiente, un parámetro necesario en cada transformador. No obstante, es conveniente reducir al mínimo esta componente de corriente, con el objeto de disminuir
las pérdidas en el cobre debidas a esta corriente, para mejorar el factor de
potencia del transformador y aminorar las componentes de corriente no
sinusoidales en el circuito eléctrico primario que pueden originar ruido electromagnético indeseable.
Teoría del transformador 97
</>
(Wb)
0.004
Medio perfodo de
la onda de flujo
0.00343
0.003
Relación magnética del
núcleo del transformador
0.002
0.001
o
Owt ,
wt 3
11/2
11
O
100
200
300
Ampere-vueltas
O
wt,
wt3
11/2
Medio parfodo de la
onda de f.m.m.
11
FIGURA 3.7. Representación gráfica para obtener fmm o formas de onda de
corriente de excitación.
98 Transformadores
Hasta este punto, la discusión se ha referido a la excitación del transformador con una fuente de voltaje sinusoidal, denominada excitación de flujo-seno. En transformadores de circuitos electrónicos se encuentran con
frecuencia muchas otras formas de excitación. Por ejemplo, es muy común
la excitación con una fuente de voltaje de onda cuadrada. Esta forma de
excitación causa una relación diferente entre el voltaje y el flujo, la cual
puede obtenerse a partir de la ecuación integral (3.4). Con una onda cuadrada periódica, el factor constante en la forma rcm de la relación de voltaje-flujo, semejante a (3.11) es también diferente. Estas relaciones se
presentan como problemas al final de este capítulo. Muchos transformadores en electrónica se excitan con una fuente de corriente constante. Cuando
se trata de excitación sinusoidal, a este modo de excitación se le conoce
como de corriente seno. Por analogía con el procedimiento gráfico mostrado en el ejemplo 3.1, se ve que la excitación de corriente seno conduce
a un flujo no sinusoidal en el núcleo y, consecuentemente, a un voltaje inducido no sinusoidal. Al final de este capítulo se presenta un problema
para auxiliar al lector al establecer las relaciones de voltaje-flujo para este
modo de excitación.
3.2.2 Relaciones de voltaje sin carga
La ecuación (3.5) introduce dos componentes de flujo que eslabonan con la
bobina primaria de la figura 3.5: una de fuga <PIl que eslabona sólo con la bobina 1 y una mutua que eslabona con las bobinas 1 y 2: 1>12' Al analizar
un transformador es conveniente fraccionar el voltaje inducido en dos componentes. Esto puede hacerse sustituyendo (3.5) en (3.4), obteniéndose
(3.12)
La componente de flujo mutuo conduce a un voltaje inducido en la bobina
2 que, al considerar la ecuación (2.27), puede expresarse como
(3.13)
Se ve que la relaciones entre las dos componentes de voltaje inducido mutuas son
eJ2
NI
N2
-=-=a
e21
(3.14)
Esta relación es la base para las características de transformación de voltaje
del transformador.
Teoría del transfonnador 99
Se ha llegado hasta un detalle considerable que permite establecer
una relación exacta entre los voltajes inducidos del transformador y la razón de vueltas de las dos bobinas o devanados. Para un transformador con
acoplamiento magnético inmediato entre las dos bobinas, la componente
de fuga de voltaje inducido elles tan pequeño que por lo general se ignora.
Cuando puede suponerse un elevado coeficiente de acoplamiento, se prescinde de los subíndices dobles y (3.14) se convierte en
el
NI
-=-=a
e2
N2
(3.14a)
Como se mencionó con anterioridad, las componentes de voltaje inducido en
el primario el o e l 2 no es mesurable, y sólo es posible medir el voltaje terminal v l del primario. La diferencia entre v l y e l se debe al voltaje de fuga
ell Y la caída de voltaje a través de la resistencia de la bobina 1 (que se examinará en la sección próxima). Dado que estos dos voltajes son pequeños, en
muchos tipos de transformadores con secundario abierto, o sea condición
sin carga, (3.14 a) se escribe frecuentemente como
(3.14b)
El conjunto (3.14) se escribe también en términos de componentes rcm
cuando el transformador se excita con una fuente de voltaje sinusoidal. La
ecuación (3.14 b) es la relación más común para obtenerla razón de vueltas
a partir de mediciones experimentales. Sin embargo, no debe olvidarse que
esta relación es siempre una aproximación que puede ser muy inexacta para ciertos transformadores en los que la resistencia del devanado primario
es relativamente alta o en los que el coeficiente de acoplamiento es comparativamente bajo.
3.2.3 Componentes de pérdidas sin carga
Hasta ahora no se han tomado en cuenta las componentes de pérdida del
transformador. La componente principal de pérdida en régimen sin carga
es la que corresponde al núcleo, llamada algunas veces pérdida por magnetización. La naturaleza de esta pérdida se analizó en la sección 2.3. y se
reconsiderará en la discusión presente. La pérdida por núcleo se clasifica
como pérdida en régimen sin carga, ya que no es función de la corriente
de carga en el transformador y puede considerarse constante para cualquier
condición de carga. Esta pérdida depende de la densidad de flujo en el
núcleo magnético, de la frecuencia de la señal de excitación y del tipo de
material y construcción del núcleo. En un transformador de núcleo de aire es
nula.
100 Transformadores
Existen varias fórmulas para cálculos aproximados de las dos componentes de pérdida en el núcleo: pérdidas por corrientes parásitas y por
histéresis, aunque por lo general es menestar obtener la magnitud de la
pérdida en el núcleo mediante pruebas. Dado que esta pérdida es función
de la frecuencia y de la densidad de flujo, es también implícitamente una
función del voltaje inducido, como puede verse en las ecuaciones (3.4) o
(3.11). Por consiguiente, al igual que en el caso de la corriente magnetizante, depende de la razón de volts a frecuencia de la señal de excitación y
puede crecer desproporcionadamente si esta razón se incrementa sensiblemente arriba del valor nominal. La pérdida en el núcleo se introduce en el
análisis de transformadores a través de una resistencia equivalente. Esta resistencia es una función no lineal del voltaje y frecuencia aplicados al devanado primario, aunque por lo general es invariante como función de la
corriente de carga del transfomador. Esta representación se examinará más
en relación con el circuito equivalente del transformador.
La resistencia óhmica del devanado primario es desde luego otro elemento que causa pérdida de potencia. En régimen sin carga, la pérdida
asociada a la resistencia del devanado primario es con frecuencia tan pequeña que puede pasarse por alto. En la representación diagramática de
fasores se incluye generalmente la caída de voltaje en esta resistencia.
En transformadores de alta tensión existe a menudo una tercera
componente de pérdida en régimen sin carga, que se conoce como pérdida
por corona y se debe a la ionización del a-;re que rodea a los devanados con
voltaje elevado originada por la alta in~8sidad de campo eléctrico en estas
regiones. Esta pérdida puede presenkrse en transformaciones de circuitos electrónicos utilizados en televisi6n y radar, y en los transformadores
de alta potencia conectados a las líneas de transmisión en alta tensión. No
es considerará esta pérdida en los modelos de transformadores ni en los
métodos analíticos que se analizarán en secciones posteriores de este capítulo, aunque en las referencias 6 y 7 pueden encontrarse descripciones
adicionales y métodos experimentales para evaluarla.
3.2.4 Diagrama fasoríal en régimen sin carga
El diagrama de fasores de la figura 3.8 ayudará a resumir las componentes en régimen sin carga del transformador, descritas en la sección anterior.
En esta figura se aplica la convención usada comúnmente para separar los
voltajes de primario y secundario. Se trata de una convención de elemental
conveniencia para que el diagrama resulte claro, aunque no necesariamente
otorgue las características direccionales de los voltajes. Las relaciones direccionales entre flujo y voltaje pueden encontrarse de las propiedades direccionales de la ley de Faraday, como se analizó en la sección 2.8. Estas
propiedades direccionales con respecto a las terminales del transformador
Teoría del transformador 101
FIGURA 3.8. Diagrama fasorial en régimen sin carga.
se tratan mediante el concepto de polaridad de transformador, estudiada
en la Seco 3.4.1. En la figura 3.8 se supone una excitación de flujo-seno
(o voltaje constante) y los parámetros de voltaje, flujo y corriente son valores rcm.
3.2.5 Características de carga de transformador
Supóngase que el conmutador S de la figura 3.5. está cerrado y que se
conecta un circuito eléctrico en las terminales del secundario (bobina 2).
El voltaje e2 inducido en la bobina 2 hará que fluya una corriente i 2 en el
circuito externo o de carga conectado a las terminales del secundario. La
dirección de esta corriente en el diagrama de la figura 3.5 se deduce de
las leyes básicas del electromagnetismo: su dirección es tal que su flujo
magnético se opone al flujo que produce el voltaje inducido en el secundario, e2 ; esto es, a la componente <P 12 de flujo mutuo. Estas propiedades direccionales se pueden determinar mediante las simples "reglas de la mano"
dadas en el capítulo 2. Para el esquema de devanado de la figura 3.5, la
corriente en el secundario fluye como se indica ahí. El lector debe verificar
las características direccionales mostradas en esa figura y trazar las direcciones de corriente de secundario para diferentes esquemas de devanado.
Estas propiedades direccionales son la base para las convenciones de polaridad de los transformadores que se estudiarán posteriormente.
La magnitud de la corriente del secundario se deduce de otra relación
fundamental electromagnética, la ley de Ampere, que se examinó en la
sección 2.5. De (2.22), suponiendo un entrehierro sin aire, se ve que
(3.15)
- - - - - - - - - - - - " ' - , , · " " ' · " '..·" .....·~'~~i~~;W,-.,':.;;i:· •. ~~,
102 Transformadores
Este método del circuito magnético muestra que la diferencia entre las
FMM de los devanados primario y secundario es igual a la caída de reluctancia en el circuito magnético mutuo, esto es, el núcleo del transformador. La diferencia en FMM es la FMM de excitación, expresada en la
nomenclatura de circuito magnético que se vio en párrafos anteriores. Hay
dos trayectorias magnéticas en paralelo con la trayectoria mutua: las trayectorias de fuga del primario y las del secundario, que se encuentran en
regiones no magnéticas en gran medida y, consecuentemente, con alta reluctancia. Deben establecerse dos ecuaciones adicionales que relacionen a las
dos FMM del primer miembro de la ecuación (3.15) con sus respectivas
caídas de reluctancia por flujo de fuga. Sin embargo, las reluctancias de
trayectoria de fuga son difíciles de describir analíticamente, por lo que dichas ecuaciones no son de mucha importancia. Es mucho más sencillo
tratar las relaciones magnéticas de fuga en términos de parámetros de circuitos eléctricos basados en mediciones eléctricas que se describirán después en este capítulo.
La diferencia entre las FMM del primer miembro de la ecuación (3.15)
se definió ya en la (3.7). La corriente magnetizante i¡ \J es una componente de la corriente total en el primario (devanado 1 en la nomenclatura de la
figura 3.5). La diferencia entre esta corriente total ¡¡y la magnetizante
i ¡ 9 se llama frecuentemente componente de carga de la corriente del primario i1/. Al reescribir la ecuación (3.15) para incluir las dos componentes de corriente de primario se obtiene.
(3.16)
Esta ecuación puede dividirse en otras dos que conducen a una importante
relación que describe con más detalle la acción del transformador:
Ni¡.p =<P¡2R
(3.17)
N¡i¡L = N 2i2
(3.18)
Ó
i¡L
N2
-=-=i2
N¡
a
(3.19)
La ecuación (3.19) de las relaciones entre las componentes de carga de las
corrientes del primario y secundario, así como la razón de vueltas. Se ve
que es la inversa de las relaciones de voltaje. Dicho de otra manera, si un
transformador es elevador de voltaje, será reductor de corriente y viceversa.
En muchos transformadores de potencia, la componente de excitación de
Teoría del transformador 103
corriente del primario es muy pequeña comparada con la componente
. de carga, por lo que
(3.20)
Un parámetro útil para calibrar y definir la capacidad de un transformador es el producto del voltaje de carga por la corriente de la misma, denominado volt-amperes o potencia aparente. Este producto puede calcularse
a partir de las ecuaciones (3.14 a) y (3.19):
(3.21)
Se observa que las capacidades volt-ampere de carga requeridas de los devanados primario y secundario deben ser idénticas. Además el devanado
primario deber ser capaz de soportar los volt-ampares de excitación requeridos.
Ejemplo 3.2
El flujo sinusoidal en el núcleo de un transformador lo da la expresión Q> 1
0.0012 sen 377t. Este flujo eslabona con un devanado primario de 150
vueltas. Determinar el valor rcm del voltaje inducido en el devanado primario.
Para w = 377, la frecuencia es de 60 Hz. De (3.11),
El =(4.44)(60)(150)(0.0012)=48 V
Ejemplo 3.3
El flujo en el núcleo de un transformador se expresa como cf> = 0.002 sen
377t + 0.00067 sen 1131t. Determinar el voltaje inducido en una bobina
de 80 vueltas que eslabona con este flujo.
De (3.4),
dcj>
e= - N di = - 60.5cos377t -60.5cos 1131 t
Ejemplo 3.4
El voltaje v = 100 sen 377t - 20 sen 1885t se aplica a un transformador
de 200 vueltas. Establecer la ecuación para el flujo en el núcleo, sin tomar en
cuenta el flujo de fuga y la resistencia del devanado. Determinar los valores rcm del voltaje y el flujo.
De (3.4 a),
104 Transformadores
1 [ - 377cos377t+
100
20 cos 1885t ]
</>= - 200
1885
= 0.00133 cos377t - 5.3 X 10-5 cos 1885t
Los valores rcm son
$=
[
_y[
v-
(.00133)2
2
+
(5.3 X 10- 5)2]
2
=0.0094 Wb
2
100- +
20-]
2
2
=72.1 V
Ejemplo 3.5
En un cierto transformador probado con secundario abierto (sin carga) se
midió una pérdida por núcleo de 400 W cuando la corriente en régimen sin
carga era de 2.5 A Y el voltaje inducido de 400 V (los valores de voltaje
y corriente son rcm). No se deben considerar la resistencia del devanado ni
el flujo de fuga. Determinar: (1) el factor de potencia en régimen sin carga;
(2) el valor rcm de la corriente magnetizante y (3) el valor rcm de la componente de corriente de pérdida por núcleo.
1. Factor de potencia: PF=(l50)j(2.5)(4oo)=0.15.
2. Corriente magnetizante: Ilq, = 2.5 sen (cos- 1 0.15)
= 2.5
(sen 81.4 0 ) = 2.42A
3. Corriente de pérdida por núcleo: I le = 150j(4oo)=2.5(cos 81.4°)
=0.375A
Ejemplo 3.6
La capacidad de un transformador es de 100 kVA (kilo volt-amperes); con
400 V en el primario y 200 V en el secundario. Sin considerar los V A magtizantes y de pérdida por núcleo, determinar la razón de vueltas y las capacidades de corriente del devanado.
La razón de vueltas es aproximadamente igual a 400/200 ó a = 2. Suponiendo que ambos devanados se tasan para la estipulación V A del transo
formador,
I = 100,000 = 250A- I = 100,000 =5OOA
1
400
'2
200
Nótese que las capacidades del transformador se dan siempre en términos
de parámetros rcm.
Orcuitos equivalentes del transformador 105
Ejemplo 3.7
El transformador del ejemplo 3.6 tiene 1 000 vueltas de alambre de cobre
A WG No. 1/0 en su devanado primario. Si el devanado secundario se diseñara para tener exactamente la misma "pérdida por cobre" (pérdida por
resistencia óhmica), determinar la dimensión del alambre que va a usarse
en el devanado secundario.
Para que las pérdidas por cobre en el devanado secundario se igualen
a las del primario, la resistencia de aquél deber ser un cuarto de la del primario, pues la corriente en el secundario es el doble de la del primario.
Sin embargo, dado que el número de vueltas en el secundario es la mitad
del primario, puede suponerse que la longitud del devanado secundario
es la mitad de la del primario. Por consiguiente, para reducir la resistencia
del secundario a un cuarto de la del primario, la sección transversal de los
conductores del secundario debe ser el doble de la del primario. El conductor del primario 1/0 (AWG) tiene una área de 105,600 CM (circular mils),
según el Apéndice II; la dimensión de conductor usual más próxima al
doble de ese valor es 4/0 (211,600 CM). En la práctica se usan conductores planos o cuadrados en lugar de cilíndricos.
3.3 CIRCUITOS EQUIVALENTES DEL TRANSFORMADOR
A través de los años se han dilucidado muchos conceptos para contribuir a
la compresión de la teoría y operación de los dispositivos electromagnéticos y, por lo tanto facilitar su análisis. Uno de los más convenientes conceptos
de este tipo es el de la red eléctrica equivalente que "modela" al voltaje,
la corriente y las relaciones magnéticas dentro del dispositivo real. Los
circuitos equivalentes del transformador se concibieron y utilizaron mucho
antes de la "edad de las computadoras" en la que vivimos; no obstante,
estas representaciones de circuitos equivalentes son particularmente adecuadas para la simulación por computadora de sistemas eléctricos de todo
tipo.
Entre los primeros análisis por computadora de sistemas eléctricos
elaborados se encuentra la modelación de líneas de transmisión de potencia interconectadas, los transformadores y los generadores síncronos,
mediante un tipo de computadora análoga conocida como "AC Network
Calculator". Este análisis fue la base para el desarrollo de los grandes sistemas de potencia interconectados que son tan necesarios en una economía industrial.
Los circuitos equivalentes de transformadores se usaron en las representaciones de la teoría de los cuadripolos en sistemas telefónicos y otros
sistemas de comunicación en alta frecuencia, con bastante anterioridad al
advenimiento de la computadora digital moderna. Existen actualmente
muchos programas de soporte lógico disponibles en la mayor parte de las
computadoras digitales, algunos de los cuales se enlistan en el Apéndice
106 Transformadores
III, para los que casi todas las formas de circuitos equivalentes de transformador se ajustan convenientemente. Los circuitos equivalentes son también
de mucha utilidad para comprender la operación física de los dispositivos
electromagnéticos y para establecer las técnicas sistemáticas de su diseño.
En el capítulo anterior se desarrolló un circuito equivalente de c.c. o
de estado estacionario, para representar circuitos magnéticos del tipo que
se encuentra en los transformadores. Este tipo de circuito es útil para calibrar núcleos de transformador, estudiar los efectos de la geometría del
núcleo sobre las trayectorias del flujo de fuga y las reluctancias y calcular
inductancias de fuga y mutuas. El circuito equivalente magnético no representa las componentes de pérdida en el núcleo magnético, aunque puede
extenderse para representarlas. Un circuito equivalente de este tipo contiene sólo un parámetro de circuito (resistencia), que representa la reluctancia magnética. Los devanados de transformador aparecen sólo en la medida
que afectan a los potenciales magnéticos o FMMs de estado estacionario.
El circuito equivalente del transformador que se desea analizar ahora,
puede contener los tres tipos de elementos de los circuitos eléctricos; puede usarse para describir casi cualquier aspecto de la operación eléctrica del
transformador en todas las frecuencias de excitación y con muchas variantes
de formas de onda de voltaje y corriente. Se empezará con el circuito equivalente en baja frecuencia, en el que se puede pasar por alto la capacidad
del transformador.
3.3.1 El transformador ideal: relaciones de
impedancia
..
',.' ,
Un recurso útil en el desarrollo de un circuito equivalente del transformador es el concepto de transformador ideal, que se define como un transformador con resistencia nula de devanados, reactancia de fuga cero, corriente
magnetizante nula (que equivale a tener, de acuerdo con (3.8), una reluctancia magnética cero o un núcleo con permeabilidad infinita) y pérdida
por núcleo nula. El transformador ideal contiene el circuito magnético
ideal que se examinó en el capítulo 2. El transformador ideal es simplemente una razón de vueltas.
Se investigarán ahora las relaciones de corriente y voltaje en el transformador ideal. En la figura 3.5 se supone que el conmutador está cerrado
y que la corriente del secundario i 2 circula por la impedancia de carga ZL .
De la ecuación (3.19) se infiere que esta corriente se equilibra por una corriente del primario igual a ai 1 (el doble subíndice no se necesita, ya que
las componentes de magnetización y de pérdida por núcleo se suponen
nulas). El voltaje en la impedancia de carga es i2 ZL y es igual en magnitud
al voltaje inducido en el secundario, puesto que se suponen nulas la resistencia del secundario y la inductancia de fuga. De la ecuación (3.14 a) se
ve que el voltaje inducido en el primario se relaciona con aquel inducido
Circuitos equivalentes del transformador 107
en el secundario mediante la ecuación e¡ = ae2. El voltaje terminal del
primario es igual a este voltaje inducido para el transformador ideal y se
expresa como
(3.22)
La relación de voltaje del primario a corriente del primario v ¡ /i ¡ da una
impedancia equivalente que es la impedancia de carga referida al devanado
primario, algunas veces llamada la impedancia de carga "vista desde el primario". De la ecuación (3.22),
(3.23)
Mediante un análisis semejante al anterior se puede demostrar que una
impedancia del primario referida al devanado secundario o "vista desde el
secundario", se expresa por la relación inversa
(3.24)
Pueden generalizarse las ecuaciones (3.23) y (3.24) para establecer que
cualquier impedancia en un devanado se refiere al otro como una función
del cuadrado de la razón de vueltas del transformador, como lo expresan esas ecuaciones. Las comillas en esas dos ecuaciones se usan para designar
el devanado al cual se refiere la impedancia. Esta es una característica de
los transformadores y la base para la aplicación de transformador denominada "acoplamiento de impedancias".
Ejemplo 3.8
Se estipula un transformador para 3KV A y 100/400 V. Se conecta una
resistencia de carga de 50 Ohms al devanado de 400 V. Con esta carga, determinar la corriente en los dos devanados y la resistencia de carga equivalente referida al devanado de 100 V. Considérese que el transformador es
ideal.
La corriente en el devanado de 400 V es 400/50 = 8 A; a este devanado se le llamará 2. Por consiguiente, a = 1/4 Y de la ecuación (319) i¡ =
8/(1/4) = 32 A. La impedencia referida al devanado 1 es a 2 (50) = 50/16 =
3.125 D.
Ejemplo 3.9
Una línea de transmisión va a terminarse con una resistencia de 100 Ohms
para reducir al mínimo las ondas estacionarias. La resistencia de carga real
es de 500 Ohms. Determinar la razón de transformador requerida para
108 Transformadores
+
Transformador
ideal
FIGURA 3.9. Circuito equivalente de transformador en términos de devanado 1.
acoplar la carga real a la línea de transmisión. Con la notación de (3.23),
= 500, Z{ == 100. Por consiguiente a 2 = lOO/50 ya == 1/v'5 = 0.446.
ZL
3_3.'2 Configuración del circuito equivalente
En la figura 3.9 se muestra la configuración básica del circuito equivalente
de transformador referida al devanado 1. Esta representación es adecuada
para la mayoría de los transformadores de potencia y de audiofrecuencia.
En transformadores que operen en frecuencias más elevadas son a menudo
de importancia las capacitancias entre devanados y deben incluirse en el circuito equivalente. En la sección 3.5 se analizará esta modificación del circuito para incorporar ese parámetro.
La teoría básica para los elementos de circuito mostrados en la figura
3.9 se desarrolló en secciones anteriores de este capítulo yen el capítulo 2.
Se resumirán ahora las relaciones de esos parámetros con la teoría del
transformador y sus propios significados. Debe observarse inicialmente
que se trata de una red pasiva "T" con parámetros concentrados del tipo
utilizado para representar muchos otros sistemas y dispositivos eléctricos,
como líneas de transmisión, filtros y otros dispositivos electromagnéticos.
Los elementos de circuito de la figura 3.9 representan elementos del
circuito equivalente del transformador real, obtenidos generalmente mediante mediciones o calculados si las dimensiones y materiales del transformador real están bien definidas. El circuito de la figura 3.9 se basa en el
supuesto de una excitación sinusoidal, y las impedancias son las convencionales de la teoría de los circuitos en régimen sinusoidal. Esta es la forma
más común de los circuitos equivalentes del transformador, aunque se
puede ajustar para usarse con otros tipos de excitación y para análisis transi-
arcuitos equivalentes del transformador 109
torios, sustituyendo las reactancias inductivas con inductancias. La sucesión
de los elementos serie es la siguiente:
1. Las resistencias efectivas r¡ Y r2 de los dos devanados, denominadas a vec'.s "resistencias de c.a.". En muchos transformadores es adecuado
el uso de resistencias óhmicas (o de c.c.) para representar arl Y r2. Sin embargo, en transformadores de potencia con devanados de conductores con
una sección transversal considerable o en ciertos transformadores de circuitos electrónicos que operan en altas frecuencias o bajo excitación de
pulsos, es importante el efecto pelicular y debe usarse la resistencia efectiva.
2. Las reactancias de fuga XI y X2 de los dos devanados se definen
de la manera convencional como 2rrfL I y 2rrfL 2 , respectivamente. Las
inductancias de fuga L 1 Y L 2 se definen como la razón de eslabonamiento
de flujo de fuga de un devanado a la corriente en el devanado que produjo el flujo, como se vio en el capítulo 2. La reluctancia de las trayectorias
de fuga se encuentra sobre todo en las regiones no magnéticas que rodean
al devanado, y no le afecta la saturación de núcleo o la no linealidad, por
lo que las inductancias de fuga son elementos de circuitos lineales.
3. La reactancia magnetizante Xc¡, es la reactancia de la inductancia
magnetizante, definida como la razón del eslabonamiento de' flujo ml.tuo
<P 12 NI o <P21 N 2 a la corriente que produce ese flujo. La reluctancia as )ciada con la trayectoria mutua es la del núcleo del transformador, la cual varía
con la densidad de flujo en el núcleo. La reactancia de magnetización es
por lo tanto función no lineal de la razón V oltjfrecuencia de la señal de
excitación, como ya se estudió.
4. La resistencia re de pérdida por núcleo. Se trata de una resistencia
puramente ficticia, usada para representar la pérdida por núcleo. Este elemento se muestra en la figura 3.9 como una resistencia en paralelo con la
reactancia magnetizante, aunque es usual emplear una representación en
serie de estos dos elementos, por supuesto con diferentes magnitudes. La
representación en paralelo conduce a un análisis de diagrama de fasores un
poco más sencillo que el del circuito en serie y es también un poco más
fácil calcular valores para la conexión en paralelo a partir de datos experimentales. Cualquier representación es aceptable. Tanto la resistencia de
pérdida por núcleo, como la reactancia magnetizante son funciones no lineales de la razón voltjfrecuencia y, además, de la frecuencia.
5. El transformador ideal se incluye en la configuración del circuito
equivalente para hacer más completa esta representación, haciendo que el
voltaje y la corriente del devanado 2 tengan la magnitud correcta. Su función específica en el circuito equivalente consiste sólo en multiplicar o
dividir el voltaje o corriente del devanado 2 por ( o entre) la razón de vueltas
a. Si se expresara el circuito equivalente con referencia al devanado 2, el
transformador ideal se localizaría en el extremo izquierdo del circuito, adyacente a las terminales del devanado 1. En algunos casos es conveniente
110 Transformadores
+
FIGURA 3.10. Circuito equivalente de transformador en términos. del devanado 2.
ubicarlo cerca del centro de la red T, a uno u otro lado de la rama de impedancia magnetizante. Sin embargo, donde quiera que se localice, no da
información acerca de las caídas de voltaje, corriente de excitación, ángulo
de fase, factor de potencia, pérdidas o eficiencia del transformador, que
son las características para las que se usa generalmente el circuito equivalente. Por ello se le elimina frecuentemente de la representación al analizar
un transformador, ya que introduce de cualquier modo "desorden" en la
red simétrica T. Dado que el propósito del transformador ideal es relacionar un voltaje o corriente de un devanado con el (o la) del otro, puede realizarse su objetivo de maneras mucho más sencillas. Se trata aquí este asunto
porque en los análisis de. sistemas, donde muchos sistemas eléctricos se interconectan mediante transformadores, debe incluirse el transformador ideal
en la representación. En modelos de computación, esto se hace al multiplicar o dividir por (o entre) una constante.
Otra manera importante de respresentar sistemas interconectados mediante transformadores es la notación por unidad, en la cual los voltajes,
corrientes e impedancias en cada circuito se expresan como una fracción
decimal de un conjunto de valores base de voltaje, corriente e impedancia.
Para una mayor descripción de esa notación, véase la referencia 7. En modelos que emplean esa notación se elimina la necesidad del transformador
ideal para la representación del transformador.
Existen muchas modificaciones y simplificaciones de este básico,
circuito equivalente completo. El uso de estas variantes depende de los
requerimientos del problema particular a resolver y del grado de exactitud que se quiera. La figura 3.10 ilustra el mismo circuito equivalente
completo referido al devanado 2. Obsérverse que en todas las representaciones del transformador en este texto la razón de vueltas se define como la
ecuación (3.1).
Ya se habrá notado que a menudo se pasa por alto el transformador
ideal en el circuito equivalente. Si se usa la representación de devanado 1
Circuitos equivalentes del transformador 111
+
FIGURA 3.11. Circuito equivalente de transformador usado comúnmente.
!2
"
+
+
v,
FIGURA 3.12. Circuito equivalente aproximado de un transformador.
como en la figura 3.9, se requiere entonces que la impedancia de carga ZL
se refiere a ese devanado. Esta simplificación se muestra en la figura 3.11.
Si se hace esta misma simplicación en la figura 3.10, el voltaje de entrada
de devanado 1, v 1 , debe expresarse en términos del devanado 2.
Otra simplificación común del circuito equivalente se obtiene al ignorar la rama de excitación que contiene xij) y re' Cuando las componentes
de corriente magnetizante y de pérdidas por núcleo son muy pequeñas comparadas con las de carga, lo que se verifica en muchos transformadores
de potencia, a menudo se justifica esta aproximación. Además, en muchos problemas son las impedancias en serie las que son de interés para calcular la regulación de voltaje en un transformador de potencia. En esta
aproximación, el circuito equivalente se reduce a los dos "brazos" de la red
r, como se muestra en la figura 3.12.
A la impedancia total de estas dos ramas en serie del circuito se le
llama a menudo impedancia equivalente del transformador, la cual siempre debe precisarse para cuál devanado está referida. Así, la impedencia
equivalente en términos del devanado 1 es, de la figura 3.12,
(3.25)
En forma semejante, si se refiere al devanado 2:
(3.26)
112 Transformadores
3.3.3 Diagrama de fasores del transformador
El diagrama fasorial es una representación de las relaciones de fase de las
componentes de voltaje y corriente en estado estacionario del circuito
equivalente, y es una guía que conviene usarse cuando se determinan voltajes y corrientes mediante el circuito equivalente. Es también una buena
representación visual de las relaciones teóricas que han sido expresadas
como ecuaciones, y ayuda al lector a comprender la teoría del transformador. Antes de la aparición de computadoras y calculadoras y aún antes del
uso generalizado de reglas de cálculo, se trazaron diagramas de fasores a
escala, de tal suerte que las magnitudes -y fases- de las componentes se
representaron con exactitud, y se utilizaron métodos gráficos para determinar las diversas componentes. Este método ya casi 'no se usa y las magnitudes fasoriales no se trazan generalmente a escala.
En las figuras 3.6 y 3.8 se introdujeron ya los diagramas fasoriales en
régimen sin carga. En la figura 3.13 se muestra el diagrama fasorial completo, que incluye relaciones para el régimen con carga. El trazo de un
diagrama fasorial se inicia con los fasores de carga aV2 e 12 fa, que
forman entre sí el ángulo del factor de potencia de la carga, eL' Estos
parámetros deben ser datos o presuponerse, con el objeto de poder trazar
el diagrama. En ciertos problemas, es práctica general suponer la corriente
de carga nominal (o alguna fracción de la corriente nominal), para voltaje de carga nominal y suponer varios valores diferentes del factor de potencia de carga, calculándose en seguida el voltaje y corriente de entrada del
transformador requeridos para satisfacer estas condiciones de carga. Se
partió en este capítulo con la convención arbitraria a llamar devanado 2
a la carga o salida o devanado secundario y devanado 1 a la entrada o devanado primario. Esta convención no es necesariamente obligada y el lector
puede usar cualquier convención en la notación que le resulte más conveniente.
Una vez trazados los faso res en régimen de carga, se suman fasorialmente las caídas de impedancia del devanado 2 o secundario al voltaje de
carga, obteniéndose así el voltaje inducido en el secundario aE 2 • Las componentes de corriente magnetizante se suman a la corriente de secundario,
dando la corriente de entrada o de primario 11 • En seguida se calculan las
caídas de voltaje del primario, para obtener el voltaje VI de entrada. Nótese que el diagrama de fasores se traza siempre en términos de un devanado
o del otro (en la figura 3.13 se usó el devanado 1); por consiguiente, los
cambios en magnitud de voltaje y corriente, atribuibles al transformador
ideal, no aparecen y en modo alguno dilucidan lo que se pretende con el
diagrama de fasores.
En seguida se ilustrarán algunos de los usos del circuito equivalente y
del diagrama de faso res.
Ejemplo 3.10
Los valores de régimen de un transformador son: 500 kVa, 2400:480 V y
Grcuitos equivalentes del transformador 113
v,
FIGURA 3.13. Diagrama fasorial de un transformador con carga.
60 Hz. Las impedancias (en OhIl).s) del circuito equivalente para este transformador son las siguientes (el subíndice 1 corresponde al devanado de alto
voltaje y el 2 al de baja tensión):
r l =0.058
XI
=0.29
'2=0.002
x 2=0.012
X</>
=400
'e =2000
La carga se conecta al devanado de bajo voltaje y extrae la corriente nominal a factor de potencia 0.866, atrasada con respecto al voltaje nominal
en las terminales de este devanado. Para esta condición de carga, determinan el voltaje terminal en el devanado de alta tensión, la corriente, el factor de potencia y la eficiencia del transformador.
La relación de vueltas a es 2400/480 = 5 Y la corriente nominal de devanado de carga es 500,000/480 = 1040. Los cálculos que siguen se muestran
hechos "a mano", aunque pueden programarse fácilmente en una calculadora programable o computadora. El diagrama de fasores de la figura 3.13
será de utilidad para ejecutar los complejos cálculos algebraicos para las
componentes de voltaje y corriente que se indican en seguida. Este
problema se resolverá en términos del devanado de alto voltaje (devanado
1 ).
El voltaje inducido en el devanado secundario (en términos de primario) es:
114 Transformadores
E~ = 5 X 480 +
1040 L - 30° X (25 X 0.002 + j25 X 0.012)
5
=2440+ j49 V
Nótese que el voltaje de carga se usa como fasor de referencia. La corriente de excitación es
.
2440 + j49
2440 + j49
1ex = le +JI</> =
2000
+ j400
= 1.2425 - j6.0755 A
La corriente de primario (devanado 1) es
1
11 = 1ex + -2 = 1.2425 - j6.0755 + 208 L - 30° = 182.2425
a
- j i 10.0755=213 L -31.2° A
El voltaje de primario es
VI =2440+ j49+ (213 L - 31.2) X (0.058 + jO.29)
= 2482.5 + j95.5 = 2483 L 2.2 ° V
El factor de potencia en las terminales del devanado 1 es el coseno del
ángulo entre VI e I I , o sea cos 33.4° = 0.832. La eficiencia del transformador es
1040 X 480 X 0.866
(1040) X 480 X 0.866 + (l 040)2 X 0.002 + (213)2 X 0.058 +
;~~
_ 433,000
- 440,760
=0.98
Ejemplo 3.11
Determinar la impedancia equivalente en serie del transformador: (1) en
términos del alto voltaje (devanado primario) y (2) en términos del bajo
voltaje para el ejemplo 3.10.
1. La impedancia equivalente en serie, en términos del devanado 1, es
Z leq =
0.058 + 25 X 0.002 + j (0.29 + 25 X 0.0 12)
=0.108+ jO.59 = 0.6 L 79.6°.
arcuitos equivalentes del transformador 115
2. En términos del devanado 2:
Z2eq =
0'f;8 + 0.002 + j (
°i;9 + 0.012)
= 0.00432 + jO.0236 = 0.024 L.. 79.6°.
Ejemplo 3.12
Para el transformador del ejemplo 3.10, determinar la impedancia equivalente de Thévenin del circuito de carga del transformador, visto desde las
terminales del primario.
Para este cálculo, se necesitará la impedancia de la carga en términos
del primario (devanado 1). Se encuentra así:
ZL
= 1040~~ 300 = 0.451 L.. 30° = 0.392 + jO.226 ohm
y en términos de primario
Z(L
=25 X ZL = 11.3 L.. 30° =9.8 + j5.65
La impedancia total del circuito secundario, incluyendo la impedancia de
devanado y de carga, en términos de primario, es:
Z;/ =25(0.002+ jO.Ol2) +9.8+ j5.65=9.85+ j5.95
= 11.5 L.. 31.2°
Esta impedancia está en paralelo con las dos impedancias de excitación
(x<¡j y re):
1
Za = -1/-:-:2=-=-000-::-::--+-:1---:/jAC::00-==-+-1=-/7-:-1":"'"1.5-::-'L. -:-3::-:1-=.2C::-o
=
11.22 L.. 32.3°
=9.5+j6
Esta impedancia equivalente queda en serie con la del primario (devanado
1):
ZTH
=0.058+ jO.29 +9.5 + j6=9.558 + j6.29 = 11.45 L.. 33.4°
Obsérvese que el ángulo de esta impedancia equivalente de entrada es igual
al ángulo entre los fasores de voltaje y corriente de entrada encontrado en
el ejemplo 3.10.
Enseguida se describirán las pruebas para obtener las componentes
del circuito equivalente y algunos otros parámetros del transformador.
116 Transformadores
3.4. PRUEBAS DE TRANSFORMADOR
3.4.1 Polaridad del transformador
La polaridad de un transformador es la característica que describe la dirección relativa de las componentes de voltaje inducido y corriente de carga
en los dos devanados del transformador. La dirección relativa de estos
parámetros en los dos devanados depende, sobre todo, de la propiedad
inherente descrita por la ley de Lenz, dada en la sección 2.8. Las características direccionales de esta relación las definen las propiedades vectoriales descritas por la ecuación (2.2) y las "reglas de mano" asociadas a las
propiedades vectoriales. Entra un segundo factor en las características direccionales de los dos devanados y es la dirección relativa alrededor del
núcleo según la cual se enrollan los devanados. Esto se puede entender
al observar los arreglos esquemáticos de los devanados de las figuras 3.1 y
3.5. Cada devanado puede enrollarse en el sentido de las manecillas del
reloj o en sentido contrario alrededor del núcleo. Esta selección se basa en
consideraciones prácticas durante el proceso de ensamblado del transformador. Al adquirir un transformador no hay, en general, manera de ver las
direcciones relativas de devanado y, consecuentemente, no existen medios visuales para determinar las direcciones relativas de voltaje inducido y corriente de carga.
En casi todo los transformadores hay alguna forma de marcado, suministrado por el fabricante, para indicar estas propiedades direccionales.
Estas marcas se conocen como marcas de polaridad. La más sencilla de estas marcas es un punto en una terminal de cada devanado, como se ilustra
en la figura 3.14, cuyo significado es el siguiente: en el instante en que el
voltaje inducido en un devanado es positivo desde la terminal punteada a
la otra, también lo es desde la terminal sin punto a la punteada en el otro
devanado. O bien, en términos de componentes de corriente de carga en
estado estacionario, sería: cuando la corriente de carga fluye hacia la terminal punteada de un devanado, sale de la terminal punteada en el otro.
Las convenciones de polaridad a base de puntos puede verificarlas el lector
mediante las "reglas de mano" o la notación vectorial de (2.2) descritas en
el capítulo 2, usando los diagramas esquemáticos simples de transformador
de la figura 3.1 o de la 3.5.
En los grandes transformadores de potencia usados en sistemas de
potencia se emplea otro tipo de convención de polaridad. Esta convención
identifica a las cuatro terminales del transformador: las de alto voltaje
con I-Il y I-I2 Y las de bajo voltaje con Xl y X 2 • Aquí, el subíndice 1 equivale a las terminales punteadas de la anterior convención.
Cuando haya duda acerca de la polaridad del transformador, puede
verificarse con una prueba sencilla, que sólo requiere mediciones de voltaje con el transformador sin carga. En esta prueba de polaridad, se aplica
el voltaje nominal a un devanado, generalmente al que resulte más conve-
Pruebas de transformador 117
•
;,
+
+
•
•
•
FIGURA 3.14. Convención de polaridad por puntos
•
•
v
FIGURA 3.15. Prueba de polaridad. Como se muestra, el voltímetro leerá
- V 2 ) y la polaridad será sustractiva.
(Vin
niente para la fuente de voltaje disponible. Se establece una conexión
eléctrica entre una terminal de un devanado y una del otro. Por lo general
las terminales se conectan físicamente más próximas de cada devanado.
En seguida se mide el voltaje entre las dos terminales restantes, una de cada
devanado. Si este voltaje medido es mayor que el voltaje de prueba de
entrada, a la polaridad se le llama aditiva y si es menor, se le llama sustractiva. Esta prueba puede fácilmente relacionarse con la convención de polaridad, como se muestra en la figura 3.15.
3.4.2 Prueba en circuito abierto (prueba sin carga)
El objeto de esta prueba es obtener las impedancias de la rama de excitación en el circuito equivalente, la pérdida sin carga, la corriente sin carga
y el factor de potencia. Esta es una prueba sencilla que se efectúa como su
nombre lo implica: un devanado está en circuito abierto y al otro devanado se aplica un voltaje (generalmente el voltaje nominal a la frecuencia
también nominal). Se miden el voltaje, la corriente y la potencia en las terminales de este devanado. También se mide el voltaje con circuito abierto
del segundo devanado y con esta medición puede obtenerse una verifica-
118 Transformadores
ción de la razón de vueltas. Por lo general es más conveniente aplicar el
voltaje de prueba al devanado que tenga un voltaje nominal igual al de la
fuente de potencia disponible. En transformadores elevadores del voltaje,
el voltaje en circuito abierto del devanado secundario será mayor que el
voltaje aplicado y, en algunos casos, mucho mayor. Debe tenerse cuidado
con las terminales de este devanado, garantizando la seguridad del personal de prueba y evitando que estas terminales queden muy próximas a
otros circuitos eléctricos, instrumentos, tierra, etc.
Al presentar los parámetros en régimen sin carga que se obtuvieron a
partir de datos de prueba, se supuso que el devanado 1 es al que se le aplicó el voltaje, y que el 2 estaba abierto. La pérdida de potencia sin carga es
la de la lectura del wattmetro en esta prueba; la pérdida por núcleo se
encuentra restando la pérdida óhmica del devanado 1, que generalmente es
pequeña y puede ignorarse en algunos casos:
(3.27)
El factor de potencia sin carga es igual a WN L/V 111 N L ; el voltaje inducido
del devanado 1 es
(3.28)
donde e N L es el ángulo del factor de potencia sin carga. La resistencia de
pérdida por núcleo equivalente re Y Ir reactancia inductiva magnetizante se encuentran así:
E?NL
r=-e
Pe
(3.29)
Pe
1
=
e
E- -
(3.30)
1NL
2
1<1> =y1rNL - le
E INL
=--
X
<1>
1
(3.31 )
(3.32)
<1>
VI
a~--
E 2NL
(3.33)
Muchos transformadores de circuitos electrónicos se excitan con
fuentes de formas de onda no sinusoidales. De ser posible, es conveniente
efectuar la prueba sin carga con la excitación de entrada igual a la excitación real bajo la cual va a operar el transformador. Esto es particularmente
importante al medir la pérdida de potencia sin carga, que depende en alto
Pruebas de transformador 119
grado de la forma de onda de excitación. Debe tenerse cuidado para usar
los instrumentos adecuados al emplear tales formas de onda irregulares.
Los instrumentos con termopar son los más indicados para estas mediciones, ya que sus lecturas son valores rcm, independientemente de la
forma de onda. No obstante, también debe considerarse la respuesta en frecuencia de los instrumentos, pues la excitación pulsante puede tener componentes de muy alta frecuencia, aun cuando la frecuencia fundamental sea
relativamente baja. Las mediciones de potencia son las más difíciles de
obtener con exactitud, no sólo por las formas de onda no sinusoidales, sino
también por el factor de potencia muy bajo asociado a la prueba sin carga
en muchos transformadores. El factor de potencia puede quedar en el rango de 0.50 a 0.2. Los watímetros de dinamómetro por lo general no son
aplicables en estas circunstancias. Los watímetros de multiplicador electrónico son probablemente los medios más generales para realizar mediciones de potencia en transformadores sin carga bajo condiciones de bajo
factor de potencia y formas de onda no sinusoidales en grado considerable. 3
Esos watímetros pueden construirse con componentes de laboratorio sumamente accesibles. Para una discusión más amplia sobre estas pruebas,
véase la referencia 5.
3.4.3 Prueba de cortocircuito
La prueba en cortocircuito queda bien descrita por su nombre. Uno de los
devanados se cortorcircuita y al otro se le aplica un voltaje reducido. Este
voltaje reducido es de una magnitud tal que da lugar a un valor específico
de corriente (generalmente la corriente nominal o una fracción de ella) que
fluye en el devanado cortocircuitado. La selección del devanado que va
a ser cortocircuitado es de nuevo arbitraria en cierto sentido, y se determina por lo general por el equipo de medición que va a usarse en la prueba.
Sin embargo, debe tenerse cuidado de anotar cuál devanado es el que está
en cortocircuito, porque esto determina el devanado de referencia para expresar las componentes de impedancia obtenidas de esta prueba. Estas
componentes pueden fácilmente referirse al otro devanado mediante
las relaciones a 2 obtenidas en secciones anteriores de este capítulo. Para
describir esta prueba se supondrá que el devanado 2 es el cortocircuitado
y que el voltaje reducido se aplica al 1.
El objeto principal de la prueba en cortocircuito es obtener las impedancias en serie. Un segundo objetivo es obtener las pérdida de potencia
en cortocircuito. Esto es de utilidad para evaluar los efectos peliculares en
los devanados, la elevación de temperatura y la resistencia equivalente por
unidad. La prueba en cortocircuito se efectúa por lo general a la frecuencia
nominal del transformador. En transformadores con pulsos puede ser
conveniente efectuar esta prueba dentro de un rango de frecuencia que
está relacionado con las componentes de frecuencia presentes en los pulsos
con los que va a operar el transformador. La discusión acerca de la instru-
120 Transformadores
mentación dada en la sección anterior se aplica también a las pruebas en
cortocircuito.
En la prueba en cortocircuito con un voltaje muy bajo aplicado al
devanado no cortocircuitado, las pérdidas por núcleo y las componentes de
corriente magnetizante llegan a ser muy pequeñas. Esto implica que, bajo
esta condición, las impedancias de pérdida por núcleo y magnetizantes
alcancen valores relativamente altos. Dado que estas impedancias están eléctricamente en paralelo con la impedancia en serie del devanado en cortocircuito, las impedancias magnetizantes pueden por lo general despreciarse en
la prueba en cortocircuito. El lector puede verificar esta conclusión con las
ecuaciones y teoría desarrolladas en secciones anteriores de este capítulo.
Con esta hipótesis se determinan las impedancias en cortocircuito como
sigue:
(3.34)
Pise
(3.35)
rlse=T
Ise
(3.36)
Estas impedancias en cortocircuito son aproximadamente iguales a las impedancias equivalentes dadas en la ecuación (3.25) en términos del devanado
1. La aproximación se debe a los efectos de la rama de excitación que puede ser o no de consideración. Por lo general, se supone que las impedancias
en cortocircuito para análisis de ingeniería son iguales a las equivalentes.
Es también común suponer que las dos impedancias de devanado, referidas
al mismo devanado, son iguales. Esto permite obtener las impedancias de
devanado individuales de la prueba en cortocircuito, siendo válida esa
suposición en muchos problemas de ingeniería y se empleará en los problemas de fin de capítulo, a menos que se diga lo contrario. Sobre la base de
estos dos supuestos.
(3.37)
2
x lse
x¡=a x2=-2-
(3.38)
2
zlse
z¡ =a Z2=--
(3.39)
2
Es posible obtener una separaClOn más precisa de las resistencias de los
devanados 1 y 2 midiendo la resistencia óhmica de cada uno de ellos y su-
Pruebas de transformador 121
poniendo que las resistencias efectivas se dividen según la misma razón
que las resistencias óhmicas medidas.
3.4.4 Otras pruebas de transformador
Existen otras pruebas de importancia en los transformadores de circuitos
electrónicos que se describen en la referencia 5 y pueden ser de interés para el lector:
1. La prueba de pérdida de retorno es una medición de impedancia termi-
nada que se emplea para limitar reflexiones en las líneas de transmisión
hasta valores mínimos. Esta medición requiere un circuito de puente
especializado, conocido como puente de pérdida de retorno.
2. La respuesta en frecuencia es de importancia al emplear transformadores en circuitos electrónicos que operan frecuencias variables. Por regla
general, la respuesta en frecuencia se determina para un sistema del
cual el transformador es un componente.
3. La respuesta a pulsos es una prueba para determinar las características
dinámicas de un transformador con excitación pulsante. Son aplicables las técnicas de medición en pulsos convencionales.
Ejemplo 3.13
Las mediciones sin carga en un cierto transformador dieron las siguientes lecturas: para el devanado 1:115 V, 60 Hz, 80 W y 3 A; las impedancias serie del devanado 1 fueron r l = 0.02, Xl = 0.1 D.. Determinar re y
xQ
•
El ángulo de factor de potencia sin carga es
El voltaje inducido en el devando 1 sin carga es
E 1NL = liS - (3 L. -76.6°)(0.02 +jO. I ) = 114.7 L. 0°
80
le = 114.7 =0.7 A
114.7
r =--=1640hms
e
0.7
122 Transformadores
x</>
114.7
= 2.93 = 39.2 ohms
Se ve que si se ignoraran las caídas de voltaje en el devanado 1, se tendrían
cambios insignificantes en los valores de reY x<jJ •
Ejemplo 3.14
Un transformador cuyos datos de placa son 10 kVa, 7200:120 V y 60 Hz
se prueba en cortocircuito en el devando de alto voltaje con los siguientes
valores medidos:220 V.1.39 A, 200 W, y 60 Hz. Determinar las impedancias equivalentes en serie.
Dado que el voltaje aplicado para esta prueba es alrededor del 3% del
valor nominal, pueden despreciarse las componentes de excitación:
Zsc =
220
1.39 = 156 ohm
200
1.39
r sc = --2 = 104 ohm
Xsc =
V 1562-
1042 = 116 ohm
Si se supone que las impedancias se dividen en partes iguales,
'1 = a 2'2 = T104 =52 ohm
XI
116
=a 2x 2 = =58 ohm
2
52
'2= 3600 =0.144 ohm
X2
58
= 3600 =0.161 ohm
3.5 CAPACITANCIA DEL TRANSFORMADOR
La capacitancia existe entre muchas partes físicas de cualquier transformador. Los elementos principales de capacitancia están entre las vueltas de
los devanados, entre las capas de los devanados, entre el núcleo y las vueltas, entre las vueltas y el tanque (o caja si es metal), y entre las terminales
y los conductores externos. Estos elementos capacitivos se distribuyen en
general en todo el volumen del transformador, aunque el efecto combinado
de la capacitancia distribuida puede a menudo tratarse en términos de
Capacitancia del transformador 123
+
v,
+
e,
+
+
e,
FIGURA 3.16. a) Circuito equivalente que incluye capacitancia concentrada
para representar capacitancias distribuidas. C 1, capacitancia distribuida de
devanado 1 (primario); C2 , capacitancia distribuida de devanado 2 (secundario); C 12, capacitancia de puente y de fuga directa entre salida y entrada. b)
Modificación del circuito de la figura 3.16a para eliminar el transformador
ideal.
capacitancias concentradas e incluirse en el circuito equivalente que se examinó antes. Los efectos de capacitancia sólo tienen importancia para-aplicaciones en altas frecuencias y pulsos, aunque se deben considerar los
gradientes de voltaje entre vueltas, atribuibles a capacitancias entre vueltas,
al diseñar los sistemas de aislamiento para transformadores de alto voltaje
en frecuencia de potencia.
Por lo común, se usa un circuito con tres capacitancias para describir
la capacitancia distribuida de un transformador. 3 Este circuito se muestra
en la figura 3.16 a. Puede eliminarse el transformador ideal del circuito equivalente, de una manera semejante a la eliminación que se hizo en otros
circuitos eqpivalentes, salvo por el término de capacitancia mutua el 2 .
Esta variante se muestra en la figura 3.16 b.
124 Transformadores
Estos circuitos equivalentes, que contienen capacitancias, son adecuados para modelar transformadores en frecuencia donde tiene importancia la capacitancia distribuida.
En la referencia 9 se dan los métodos para medir las capacitancias concentradas equivalentes C I , C 2 y C 12 • Los análisis de circuitos equivalentes
con capacitancias mediante cálculos "a mano" son sumamente tediosos,
por lo que es casi una necesidad usar programas de análisis de circuitos por
computadora.
3.6 CORRIENTE DE IRRUPCION
Gran parte de este capítulo se ha dedicado a la teoría y análisis de transformadores en estado estacionario. Empero, hay un aspecto de las características transitorias del transformador que merece atención especial: la
alta corriente, potencialmente hablando, que puede surgir en el preciso
momento de energizarlo con una fuente de voltaje sinusoidal. Este pico de
corriente inicial, llamado corriente de irrupción, es incontrolable desde un
punto de vista práctico. Puede resultar un pico de corriente varias veces
superior a la corriente nominal del transformador o puede ser inobservable.
Es el tóxico del estudiante (o instructor) de laboratorio de máquinas eléctricas y tiene suma importancia durante la energización de los grandes transformadores de potencia. Es posible explicarla de una manera relativamente
simple, como sigue.
La corriente de irrupción se modifica en cierto modo por la carga del
transformador. Es más observable en el régimen sin carga, y bajo esta condición se ilustrará este fenómeno. Sin tomar en cuenta la pérdida por núcleo
y la resistencia del primario, la relación entre voltaje y flujo en régimen sin
carga puede describirse de la ecuación (3.3) y (3.4) así:
(3.40)
donde a = argumento del término seno en t = O. La solución de esta ecuación diferencial lineal de primer orden es
1m
cp= VwN [cosa-cos(wt+a) ]
=<I>m[ cosa -cos(wt+ a)]
(3.41)
Se ve que el flujo tiene dos componentes: la transitoria y la de estado
estacionario. Puesto que no se ha considerado la pérdida por núcleo ni la
resistencia de primario, el término transitorio 1>m cos a no tiene factor de
decremento alguno. Desde luego en un transformador práctico está presen-
Corriente de irrupción 125
te un término de esa naturaleza y la componente transitoria decae exponencialmente con una constante de tiempo que es función de la resistencia
del transformador y de la pérdida por núcleo. En transformadores pequeños, esta constante de tiempo es generalmente del orden de unos pocos
milisegundos; en los grandes transformadores de potencia puede ser de un
segundo o mayor.
Sin olvidar que la componente transitoria debe decaer, se analizarán
ahora las implicaciones de la ecuación (3.41). En primer lugar, se observa que la magnitud de la componente transitoria es una función del instante
en que el transformador se conecta a la fuente de voltaje, función determinada por el ángulo a en la ecuación (3.41). Si a es rr/2 (lo que significa
que la fuente de voltaje en t = O se encuentra en-su máximo positivo), el
término transitorio es cero y no hay corriente de irrupción. Si a es cero,
el término transitorio es máximo y puede producirse un pico de corriente
elevado durante los primeros ciclos después de energizar al transformador.
Este es el peor de los casos y se ilustra en la figura 3.17. Después de un
cuarto del período se observa que las dos componentes de flujo son aditivas y que en w t = rr el flujo en el núcleo del transformador será 2CPm , sin
considerar el decaimiento del término transitorio. En la realidad, este
primer pico de flujo puede ser más del doble del flujo máximo normal, ya
que con frecuencia existe magnetismo residual en el núcleo si en un principio estaba energizado. Si el flujo residual tenía la dirección adecuada, se
sumaría al flujo calculado según la ecuación (3.41).
El pico de corriente asociado a este pico de flujo es proporcionalmente mucho más grande, en virtud de la saturación de núcleo. En la mayoría
de los transformadores, el núcleo y los devanados se diseñan de tal manera que, bajo el voltaje nominal, el flujo máximo de estado estacionario
quede alrededor de la rodilla de la curva de saturación. Por consiguiente,
la condición descrita durante la energización inicial de un transformador,
que requiera un flujo de dos o más veces el flujo máximo en estado estacionario, puede necesitar una corriente de excitación de varios cientos
de veces la corriente de excitación normal a causa de la saturación del núcleo. Esta posibilidad debe considerarse al escoger la fuente para el circuito
y para la protección de cualquier circuito que involucre un transformador.
La referencia 2 da una buena aproximación para relacionar el primer pico
de corriente de irrupción (en amperes) con los parámetros de diseño del
transformador:
IpK =
donde
b
As
bAc(Br + 2Bm -1.95)
/LoAs N
(3.42)
longitud de la bobina a lo largo de su eje, en m
área total del espacio encerrado por el devanado medio de
la bobina excitada, en m 2.
126 Transfromadores
9. v,
V1
t
= V1111 sen wt
-_ _ wt
FIGURA 3.17. Relaciones de flujo en las que se muestra la energización inicial de un transformador activado en a = 0, ecuación 3.41.
Ac
área neta de la sección transversal del núcleo magnético, en
m2
número de vueltas de devanado de la bobina excitada
densidad de flujo residual en t = 0, en Teslas
diseño máximo de densidad de flujo en estado estacionario,
en Teslas
3.7 ALGUNOS TIPOS PARTICULARES DE TRANSFORMADORES
Y CONEXIONES
La teoría y pruebas básicas de transformador presentadas en la sección
anterior se aplican en general a todo tipo de transformadores. No obstante,
existen muchos conceptos adicionales de teoría y práctica que son esenciales en el análisis de muchas configuraciones y conexiones de transformador empleadas comúnmente. A continuación se discuten sucintamente
estas configuraciones y conexiones.
3.7.1 Transformadores de pulsos
Los transformadores que operan normalmente excitados por una fuente
discontinua de excitación se conocen como transformadores de pulsos.
Esta forma de excitación se traduce en algunas diferencias tanto en el diseño como en el análisis de los transformadores de pulsos, comparados con
Algunos tipos de transformadores y conexiones 127
los que se diseñan para operar con una fuente de excitación continua, como una de voltaje sinusoidal. En esta sección se resumirán algunas técnicas
de análisis y al finalizar este capítulo varios problamas permitirán al lector
investigar aún más este tema.
La potencia promedio en un transformador de pulsos es generalmente muy baja, aunque la potencia pico puede ser sumamente grande. Los
primeros transformadores, diseñados especialmente para excitación por pulsos, se elaboraron para ser usados en radares durante la Segunda Guerra
Mundial, siendo de muy elevada capacidad de potencia pico. En los aceleradores lineales y en equipo semejante se usan transformadores de pulso
similares. Más recientemente, se han desarrollado transformadores de
pulsos de pico de potencia medio y bajo, para muchas aplicaciones electrónicas y de control, como las que se encuentran en los circuitos de disparo de compuerta de los thyristors de potencia. La excitación por pulsos
consiste típicamente de un pulso de voltaje rectangular o de una irrupción
breve de pulsos sinusoidales de alta frecuencia, aunque comúnmente se
usan muchas otras formas de pulsos. La magnitud y la rapidez de repetición del pulso determinan la potencia promedio del transformador. En
el capítulo 8 se describen algunas pocas formas de onda pulsantes en
relación con el control electrónico de motores.
Cuando los pulsos de excitación se repiten con una rapidez de pulso
permanente, es posible resolver este modo de excitación en funciones exponenciales continuas mediante los métodos de serie de Fourier. Pudiera
pensarse que la teoría presentada al principio de este capítulo, que se basa
en excitación sinusoidal, podría emplearse en el análisis del transformador
de pulsos. En general, esto no es posible, dadas las no linealidades del transformador, debidas a la saturación del núcleo magnético. Además, el uso de
los métodos de la serie de Fourier proporciona poca información sobre la
operación física del transformador.
Más que el uso de los métodos de Fourier, el análisis del transformador de pulsos se basa en la solución de ecuaciones diferenciales, de una
manera fragmentada, usando los circuitos equivalentes de la figura 3.16 y
las modificaciones de estos circuitos. Los parámetros del transformador
de pulsos se definen en términos de una forma de onda pulsante normal,
mostrada en la figura 3.18. Esta forma de onda puede representar un voltaje o corriente, resultante de una excitación pulsante rectangular y, consecuentemente, se describe mediante un símbolo generalizado A. Los
principales parámetros de pulso relacionados con esta onda se muestran
también en la figura 3.18. Puede verse que estas definiciones de parámetros
siguen a las usadas en análisis de circuitos y en la teoría del control. La
forma real y la magnitud de los pulsos de voltaje o corriente de salida resultantes de la excitación de un pulso rectangular en un transformador
específico pueden determinarse por el análisis del circuito equivalente
completo de la figura 3.16.
128 Transformadores
FIGURA 3.18. Forma de pulso normal de voltaje o corriente usada en el aná·
lisis y especificaciones de transformadores de pulsos. Am = amplitud de pulso,
Ao. =excedente,A D = bajada o declive,A Bs = columpio posterior, T d =duración de pulso, T r = tiempo de elevación de pulso y T f = tiempo de caída de
pulso.
Como se hizo notar, un análisis tal requiere técnicas de simulación
en computadora, es tedioso e implica mucho tiempo. Sin embargo, como
se observó, es posible hacer una simplificación considerable del circuito equivalente completo durante varias partes del pulso. Estas simplificaciones se
muestran en las figuras 3.19 a, by c, suponiendo que todos los parámetros
se expresan en términos del secundario (devanado de salida).9.lo Todos estos parámetros se definieron previamente, salvo CD , que es la capacitancia
distribuida del devanado secundario y CL , que es la capacitancia del cable de
terminación y la carga.
Tanto los V A pico y promedio como las capacidades de potencia,
deben tomarse en cuenta al diseñar y emplear transformadores de pulsos
que, por otra parte pueden ser de diversos órdenes de magnitud. Otra especificación importante en los transformadores de pulsos es la de producto
voltaje -tiempo, que se definé como la integral máxima de un pulso de voltaje rectangular que puede aplicarse a un devanado, antes de que los efectos
de saturación de núcleo hagan que la forma de onda del pulso de corriente de excitación resultante se desvíe, en un porcentaje dado, de una rampa
lineal. La definición de la permeabilidad de núcleo magnético también se
modifica para la aplicación de pulsos, siendo ahora "el valor de la permeabilidad en amplitud cuando la razón de cambio de densidad de flujo se
mantiene sustancialmente constante durante cierto lapso en cada ciclo"l I ,
Algunos tipos de transformadores y conexiones 129
ó
(3.43)
donde
/::,B
/::,H
cambio en la densidad de flujo durante el lapso establecido y
cambio asociado en la intensidad de campo magnético.
Generador
de pulsos
Generador
de pulsos
eL
FIGURA 3.19. a) Circuito equivalente simplificado para evaluar la arista anterior de un pulso de transformador (tiempo de elevación) con una carga resistiva. b) Circuito equivalente simplificado para evaluar la cima de un pulso de
transformador. e) Circuito equivalente simplificado para evaluar la arista posterior (tiempo de caída y columpio posterior) de un pulso de transformador.
3.7.2 Conexiones polifásicas
En muchas aplicaciones en potencia, rectificación y control de motores,
se emplean circuitos polifásicos para reducir las pérdidas en conductores y
máquinas. El sistema polifásico más común es el trifásico, aunque los sistemas de 2,6 y hasta 12 fases se usan en diversas aplicaciones. La mayoría
130 Transfonnadores
de los sistemas de generaclOn, transmisión y distribución de potencia y
muchos sistemas de control de motores en c.a. son también trifásicos. En
~~ª-istemas trifásicos balanceadqs, los fasores de corriente y voltaie_ epTas
tres fases esfán desplazados unos de otros por un ángulo eléctrico d~..
Cuando se requieren transformaciones de voltaje'oco~~iente en sistemas polifásicos, deben usarse las conexiones de transformadores polifásicos.
Los transformadores trifásicos pueden consistir de tres transformadores
individuales conectados adecuadamente, o bien de un solo núcleo, en el
que se colocan tres conjuntos de devanados de una manera conveniente.
El último arreglo, conocido como un transformador trifásico, se traduce en
una cierta reducción del tamaño y peso del núcleo y del tanque en comparación de los tres transformadores individuales de los mismos valores nominales totales. En transformadores enfriados por aceite, se obtiene alguna
reducción en la cantidad de aceite requerido. No obstante, el análisis de los
dos tipos de sistemas de transformadores es el mismo, pero no así el análisis del circuito magnético y el análisis térmico de los sistemas de cubierta.
El análisis de los transformadores polifásicos es en esencia idéntico al
de los de una fase, descrito en secciones anteriores de este capítulo. Algunos de los principales asuntos en la aplicación de transformadores polifásicos
son las componentes armónicas de la corriente de excitación, el efecto de
la carga fuera de balance de las fases y los efectos de las componentes de c.c.
Puesto que los transformadores usados en aplicaciones de transmisión y
distribución de potencia son frecuentemente de capacidades en V A muy
altas, sus magnitudes de corriente de excitación pueden ser relativamente
grandes. Las armónicas de alta frecuencia de estas corrientes pueden causar
interferencia electromagnética con líneas telefónicas vecinas, calentamiento indebido en ciertas partes de los circuitos polifásicos y voltajes desbalanceados en algunas conexiones del transformador.
Otro tema en la aplicación de la conexión del transformador trifásico
consiste en tener una comprensión razonable de las relaciones de potencia,
voltaje y corriente en los sistemas trifásicos, que se ha convertido casi en
arte perdido para los ingenieros actuales. Por consiguiente, como una ayuda
para aquellos lectores cautivos de la fascinación de la electrónica, de las
computadoras y los circuitos integrados, pero que tienen aún ocasionalmente qué explicar por qué se funden constantemente los fusibles de la
planta de aire acondicionado o por qué no arranca un motor de inducción,
se dará un resumen breve de las relaciones de voltaje, corriente y potencia en los transformadores trifásicos.
Las dos conexiones más comunes de transformadores trifásicos se
conocen como delta e "Y", así denominadas por los diagramas de faso res
que representan a estas conexiones, que esquemáticamente se muestran
en la figura 3.20 a. Obsérvese que 'los devanados del transformador se orientan para mostrar las relaciones de fase. En general, los devanados primario
o secundario de un transformador trifásico pueden conectarse en delta o
Algunos tipos de transformadores y conexiones 131
1¡ I(nea
cT
c~"
+
+
V:l I(nea
V¡ I(nea
A
9
+
,,-1----------
~
.(
1¡ fase
FIGURA 3.20a. Conexión de transformador en delta - Y
FIGURA 3.20b. Diagrama fasorial para el devanado en delta de la figura 3.20a.
(Ver ejemplo 3.15).
"Y", La selección depende de los requerimientos de la aplicación específica, de la necesidad de un alambre neutro (como en sistemas de potencia),
la necesidad de suprimir armónicos y consideraciones de tierra. En sistema de potencia, las conexiones deltajY son las más comunes.
Las relaciones fasoriales en cualquier transformador trifásico balanceado pueden describirse todas por el diagrama simétrico mostrado en la figura
132 Transformadores
e
A ........-------~B
FIGURA 3.21. Diagrama para analizar transformadores trifásicos.
3.21. Los lados exteriores de este diagrama son las lados de un triángulo
equilátero y N representa el centro geométrico de este triángulo. En la
figura 3.22 se muestran las conexiones físicas de un transformador delta/Y.
La secuencia de letras en el triángulo de la figura 3.21 y el diagrama de conexiones de la figura 3.22 son arbitrarios, salvo en lo que respecta a la secuencia de fases. La secuencia de fases es el orden en que las letras pasan
frente a un observador situado fuera del triángulo cuando éste gira en el
sentido contrario al de las manecillas del reloj en la figura 3.21. La secuencia
de fases en la figura 3.21 es A-C-B. ~~~!~~J1.(ܪd~ fases,no tiell~il!!Portan::.9.i.!l: ell .. el ªná.J.j.sis ..cte tran.sf.Qrmªdºr~s t:ifás!90~.p~arlCeadºª-, aunque determina la dirección de rotación de bs motores polifásicos que pueden
conectarse al secundario del transforn .ador. Puesto que se estudia el transformador en este capítulo, procede igllorar la secuencia de fases.
En los sistemas polifásicos a los voltajes entre las líneas que entran o
salen del transformador se les llama voltajes de línea y a las corrientes en
estas líneas se les denomina corrientes de línea. Los voltajes a través de
los devanados del transformador se llaman voltajes de fase y las corrientes
en estos devanados son las corrientes de fase~ En la conexión delta se ve
que los voltajes de fase y línea son uno y el mismo. En la conexión Y, las
corrientes de fase y línea son iguales. En esta conexión las corrientes y
voltajes de fase se conocen comúnmente como corrientes y voltajes de línea a neutro.
Veamos nuevamente la figura 3.21. Pueden usarse los segmentos de
línea en este diagrama para representar las relaciones de fase de voltaje y
corrientes en ambas configuraciones. Para estar seguros de lo que significan
las relaciones de fase, véase la figura 3.21. La línea A-a-B representa un fasor en 0°; la B-aC uno en 1200 , laN-a-A uno en 2100 ; la C-a-N uno en -900
y así sucesivamente.
El último concepto básico requerido para el análisis de las conexiones trifásicas necesita las relaciones de la ley de Kirchhoff, que establece
que para una línea o fase,
Algunos tipos de transformadores y conexiones 133
(voltajes) =0
(3.44)
~ (corriente) = O
(3.45)
~
H,
¡-~
No.
X,
-j.....=-.-..,--.. . .
1: )1
¡
1 ) 1
L_ _ _...1
'-----a
H2
A
H,
- -.,
,--
~-+-------b
I
B
e
No. 21
)1
I
IL __
I
1
1
.--_ _ _ _ _ c
I
_J
6---+-+------N
H2
H,
r-1
No.31
1
1
L __
)1
FIGURA 3.22. Conexiones para tres transformadores idénticos conectados
en delta -Y.
En una c.ºJJ~xió.rLY de transformador puede hacerse la siguiente aseveración: en la figura 3.21 si la X en el ceJ),tro del triángulo representll,Jas
relaQ!O.!!es de Jªse de los yºltªj~s de fase, el t!'!ªI!gulo .e:x:~~!.tq!.rep_reseIlt!g'á
las__!.~la.~!ºIl,es d~ Jª~ege los vqHlij~~.Q~1J!!~.li. Las líneas correspondientes
representan además las magnitudes de los voltajes de fase y de línea. En
una conexión delta, si el triángulo exterior representa la fase y la magnitud
de las corrientes de línea, la Y interior representará la fase y la magnitud de
las corrientes de fase. También, si el triángulo exterior representa la fase de los voltajes de línea, en el lado delta de un transformador deltajY, la
y interior representará la fase -pero no la magnitud- de los voltajes de
línea en el lado Y del transformador. Existen varios juegos más que pueden
hacerse con este diagrama simple que son de utilidad en el análisis de las
conexiones de los transformadores trifásicos. Pero ahora se analizarán
las relaciones de magnitud en los transformadores trifásicos. En una conexión delta,
llínea
= V3 1 fase
(3.46)
134 Transformadores
En una Y,
Tiínea
= V3
(3.47)
V fase
La potencia en la conexión trifásica es
P=3(V fase
)(Jfase
)(cos8 fase
)
(3.48)
Obsérvese que el único ángulo de factor de potencia con significado en
sistemas polifásicos es el que existe entre las componentes de fase.
Ejemplo 3.15
Los devanados de alto voltaje de tres transformadores con especificaciones
100 kVa, 19 000 V se conectan en delta. Determinar la magnitud y fase
de los voltajes y corrientes de fase y línea de esta conexión cuando los devanados de fase llevan la corriente nominal con un factor de potencia de
0.866 en atraso.
Puede suponerse una conexión de devanados como la delta de la figura 3.20 a. La corriente nominal por devanado es 100 000:19 000 = 5.26 A.
La corriente de línea nominal es v'3 x 5.26 = 9.1 A. Para trazar el diagrama de fasores, se supone arbitrariamente que los voltajes de devando trifásico son los del conjunto de la figura 3.21, a saber: VABLO°, V Bc L120°
y V CA L240°. Las corrientes de fase se localizan respecto a estos voltajes
de fase mediante el ángulo del factor de potencia, que en este ejemplo
es cos-¡ 0.8666 = 30°. Para obtener la fase de las corrientes de línea, se
tiene que suponer una dirección de flujo de corriente en el diagrama de la
figura 3.20 a. Un conjunto consistente de corrientes de línea es el formado por las corrientes que entran o las que salen de la delta. Otra suposición
acerca del flujo de corriente (por ejemplo, una corriente que penetre y
las otras dos que salgan) no daría los fasores trifásicos. Se supondrá arbitrariamente que la corriente entra en las terminales de la delta en todas
las tres líneas. Las corrientes de línea se obtienen aplicando la ley de corrientes de Kirchhoff en los vértices de la delta. Por ejemplo, lA = lAB lCA = 5.3 L - 30° -5.3 L210° = 9.1 LOo. En la figura 3.20 b se muestra el
diagrama de fasores.
Debe notarse que todas las relaciones anterivres se aplican sólo a un
~istema trifásico equilibrado; esto es, uno en el que todos los voltajes y
corrientes de fase y línea sean iguales en magnitud y con defas~~mléñf6:S-:­
de 120° uno respeCtba éítro.En estos sistemas el conductor neutro sólo
se utiliza como conexión de tierra. ~~!luilibrisu!eill~ststel1}_as trifás}
cos
se origina por cargar fuera de balance a las fases individuales_.y.. por
los--..,
' .
.~
"'---~
Algunos tipos de transformadores y conexiones 135
efectos de los armónicos del las corrientes de excitación del transformador.
Las dos conexiones reaccionan de modo diferente a estos desequilibrios.
En la conexión delta, el desequilibrio se manifiesta como una corriente que circula alrededor de ella, dando lugar a pérdidas óhmicas adicionales
en los devanados del transformador, que pueden calentarlos excesivamente.
Sin embargo, esto se considera como una de las ventajas de la conexión
delta, pues "atrapa" las corrientes armónicas y tiende a mantener iguales
a los voltajes de fase y línea en el lado Y de la conexión. Ambos tipos de
desequilibrios (por cargas desbalenceadas y armónicos) tienden iCau-ia-i
córrÍe-nte eñ el neutro sobre el lado Y de la conexión. Esta corriente puede
reducirse al mínimo si el otro lado de la conexión es una delta. Si no hay •
conexión de alambre neutro, el voltaje del neutro tiende a desubicarse
del centro del triángulo de la figura 3.21, lo que se traduce en un voltaje
anormalmente elevado, cuando menos en uno de los transformadores o
secciones del transformador trifásico, lo que es una condición indeseable.
Por esta razón, rara vez se usan actualmente conexiones Y sin tierra.
Lo anterior exige una explicación de las relaciones de fase de armónicos en las conexiones trifásicas. Es posible demostrar que las relaciones
de fase de armónicos en transformadores polifásicos varía en función del
orden de la fase 7,12. Por ejemplo, en un transformador trifásico, el tercer armónico de la fase desplazada en 120 de la fase de referencia se desplaza en 3 X 1200 = 360 0 • El tercer armónico en la fase desplazada en
0
240 0 respecto a la fase de referencia, está desplazada 3 X 240 0 = 720 • Por
consiguiente, en los transformadores trifásicos, los terceros armónicos en
los tres transformadores están en fase. Esto se aplica también a todos los
armónicos que sean múltiplos impares del tercero.
En una conexión delta, los terceros armónicos (y los múltiplos impares) de corriente se suman unas a otras y forman corrientes que circulan
alrededor de la delta, siendo ésta la razón por la cual se llama a esta conexión una trampa para los armónicos. En forma semejante, en una, Y sin
tierra, los terceros armónicos de voltaje se suman unos a otrosyti~nden a
empujar al neutro en la figura 3.21 fuera del neutro geométrico. Esta es
una explicación simplista de por qué la conexión delta es útil para suprimir armónicas y por qué la Y no puesta a tierra es indeseable. Debió haberse precedido probablemente de una aseveración asentando que las corrientes
de excitación de un transformador polifásico pueden contener sólo armónicas impares, lo que remite a las bases de la teoría de las series de Fourier. J2 ,13 Esta conclusión se deja al lector para que la pondere con la ayuda
de las referencias 2,7,12 y 13.
Hagamos una última alusión a la simetría de las conexiones trifásicas.
En primer término, debe notarse de lo anterior que la delta y la Y son
conexiones duales, en el sentido de que las relaciones de voltaje y corriente en los dos sistemas son inversas una de otra. La discusión de simetría de
las discusiones trifásicas introduce alguna de las más estéticas caracterÍsti0
136 Transformadores
FIGURA 3.23. Conexión delta abierta usada en bancos de transformadores
trifásicos.
cas de muchos sistemas de ingeniería. La simetría geométrica de los sistemas
trifásicos ha sido descrita por muchos como "hermosa" y esta percepción
no debiera olvidarla el estudiante de ingeniería o el ingeniero en ejercicios
cuando se esfuerza en comprender los significados fisicomatemáticos de
estos sistemas. Los sistemas de potencia trifásicos son la base de la economía industrial de casi todo el mundo y, dado que la conservación de la
energía ha llegado a ser imperiosa, reviste una gran importancia optimizar estos sistemas. Por lo tanto, aunque estos aspectos de transformadores
e ingeniería de potencia maduraron hace mucho~ años, no debe ignorarse el
significado y posibilidades de futuras mejorías. .
Algunas otras conexiones polifásicas tienen cierta importancia. La
conexión delta abierta, como su nombre lo indica, es una conexión delta sin un transformador (Fig. 3.23). Puesto que para cualquier sistema trifásico, cualquier fase de voltaje es la suma fasorial de las otras dos (3.44),
el voltaje entre los puntos del lado abierto de la delta es el voltaje de la
tercera fase. Esto permite tener un transformador trifásico con sólo dos
transformadores. La conexión delta abierta es una conexión desequilibrada y los dos devanados de transformador operarán en diferentes factores de
potencia, aun cuando están conectados a una fuente equilibrada y a impedancias de carga también en equilibrio. Por consiguiente, la capacidad permisible en la conexión delta abierta es sólo y'3 veces los Va nominales de
un transformador.
La conexión Seott, mostrada en la figura 3.24, es una manera de convertir tres fases a dos, o viceversa. Requiere una derivación a 0.866 en un
transformador, y otra a la mitad del devanado del otro transformador. Como la delta abierta, se trata de una conexión desbalanceada. En la figura
3.25 se muestra la conexión estrella hexafásiea. Es un medio por el cual se
pasa de tres a seis fases y se usa en muchos circuitos rectificadores y
de thyristor, donde se requiere una trayectoria para la corriente de c.c.
El ángulo característico de un sistema hexafásico es 60°.
Algunos tipos de transformadores y conexiones 137
X'A _ - - - - - - - - - - -
3-1>
2-1>
Transformador A
transformador
B
FIGURA 3.24. Conexión de Scott para transformación de tres a dos fases.
3-1>
FIGURA 3.25. Conexiones delta trifásica y estrella hexafásica.
3.7.3 Autotransformadores
El devanado único o autotransformador es un dispositivo muy útil para
algunas aplicaciones debido su sencillez y bajo costo, en comparación con
los transformadores de devanado múltiple. No obstante, no proporciona
aislamiento eléctrico y, por lo tanto, no puede emplearse cuando se requiere dicho aislamiento. El circuito del autotranformador se muestra en
la figura 3.26. Puede obtenerse de un transformador de dos devanados conectados eléctricamente en serie, de tal suerte que se sumen las polaridades.
Supóngase que se hizo lo anterior en el circuito de la figura 3.26, donde el
primario del transformador de dos devanados es el devanadoA-B y el secundario de ese transformador es el devanadoB-C. El primario del autotransformador es ahora la suma de esos dos devanados, llamada A-C. El secundario
del auto transformador es el devanado B-C. La razón de voltajes y vueltas
en dos devanados es
(3.49)
138 Transformadores
FIGURA 3.26. Transformador convencional de dos devanados, conectado como autotransformador reductor.
La razón de voltajes y vueltas del autotransformador es
(3.50)
La ecuación 3.50 muestra que la razón de transformación de un autotransformador es mayor que si se conectara el mismo conjunto de devanados
para formar un transformador de dos devanados. Esto se debe a que parte
de la transferencia de V A del primario al secundario en un autotransformador se lleva a efecto por conducción y también por inducción, como en un
transformador de dos devanados. Puede demostrarse l 2 que un conjunto de
devanados puede entregar más V A cuando se conecta como autotransformador que cuando opera como transformador de dos devanados. Un tipo
común de autotransformador, que se encuentra en muchos laboratorios,
es el auto transformador de razón variable, en el que el punto B en la figura
3.26 es móvil.
3.7.4 Transformadores de corrientes
Un transformador de corriente es un transformador de dos devanados utilizados en instrumentación, para medir o detectar corrientes. El primario se
conecta en serie con una fuente o una carga, que puede considerarse como
un modo de excitación de corriente constante. El transformador de corriente se excita esencialmente con una fuente de corriente constante y se opera
de una manera dual o inversa al de voltaje. La condición de régimen sin
carga de un transformador de corriente tiene lugar cuando el secundario
se cortocircuita sobre sí mismo. Con el secundario abierto pueden producirse voltajes peligrosamente altos.
La impedancia o carga en el secundario se conoce como "peso" del
transformador, ya que es un elemento indeseable, aunque necesario, y que
Algunos tipos de transformadores y conexiones 139
siempre se reduce al mínimo. El objeto de diseñar y aplicar transformadores
de corriente es alcanzar exactitud en la fase y magnitud de la razón de
corriente, más que obtener cualesquiera capacidades de soportar carga. En
la figura 3.13 se vio que el origen de la inexactitud en la razón de corriente
es la corriente de excitación y, por consiguiente, se trata de reducir a ésta
al mínimo. Las razones del transformador de corriente son casi invariablemente razones de reducción de corriente y a menudo, el primario no es
una parte integrante del transformador mismo, sino que forma parte del
alambre cuya corriente se mide.
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9. "Low-Power Pulse Transformers," IEEE Standard, No. 390-1975, Nueva York,
1975.
10. H. W. Lord, "Pulse transformers," IEEE Transactions on Magnetics. Vol. Mag-7,
No. 1, Nueva York, marzo 1971 págs. 17-28.,
11. "Test Procedures for Magnetic Cores," IEEE Standard, No. 393-1977.1977.
12. G. V. Mueller, A. C. Machinery, McGraw-Hill Book Company, Nueva York, 1948.
13. P. Franklin, Fourier Methods, McGraw-Hill Book Company, Nueva York, 1949.
Problemas
3.1
Una onda cuadrada simétrica de voltaje se aplica al devanado primario de un transformador con el secundario abierto (sin carga). Determinar y trazar la forma de
onda del flujo magnético en el núcleo. No considerar la resistencia del primario y
las pérdidas por núcleo.
3.2.
Encontrar la relación entre el valor rcm del voltaje aplicado al primario, el flujo
máximo en el núcleo y la frecuencia de la onda cuadrada para el problema 3.1.
Esta ecuación será análoga a la relación para excitación sinusoidal (3.11).
140 Transformadores
3.3. Repetir los problemas 3.1 y 3.2 para un voltaje aplicado cuya forma de onda sea
una onda triangular simétrica.
3.4. Se va a ensamblar un transformador usando un núcleo magnético construido
con laminaciones de acer<! de transformador M-19 (ver Fig. 2.4). En área neta de
la sección transversal del núcleo es de 10 cm 2 • El transformador se excitará con
una fuente sinusoidal de voltaje de 100 V (rcm) en 400 Hz. Determinar el número
de vueltas del devanado primario, de tal suerte que la densidad de flujo máxima
en el núcleo, para el voltaje nominal aplicado, se localice en la rodilla de la curva de
saturación para el acero M-19 (1.2 T). Despreciar la resistencia del devanado y
las pérdidas por núcleo.
3.5. La longitud magnética media del núcleo del problema 3.4 es 40 cm. Determinar
el valor rcm de la corriente magnetizante para el voltaje nominal aplicado, usando las vueltas calculadas en ese problema.
3.6. El flujo alterno en el núcleo de un transformador aumenta en proporción al cuadrado del tiempo, desde cero al principio del período de flujo hasta 2.4 X· 10- 3
Wb en t == 10 mseg. Enseguida se hace nulo de 5 a 20 mseg a lo largo de una curva que es simétrica con la curva de flujo ascendente alrededor de un lapso igual a
un cuarto del período. La mitad negativa del período es simétrica a la mitad positiva con respecto al eje del tiempo. .
(a) Trazar la curva que muestre el voltaje aplicado a un devanado de 500 vueltas
que daría lugar a estas características de flujo, y
(b) Determinar los valores máximo, rcm, y promedio en un medio período de la
onda de voltaje aplicado, así como su factor de forma.
3.7. El transformador del ejemplo 3.1 se excita con una fuente de corriente (excitación de corriente seno). El valor rcm de la corriente de excitación es 2.0 A. Con
un procedimiento gráfico similar al utilizado en el ejemplo 3.1, determinar la
forma de onda, en medio período, del flujo en el núcleo. Trazar la forma de onda aproximada para medio período del voltaje inducido en el primario.
3.8. Para el transformador del problema 3.4, determinar la corriente de irrupción pico, -mediante la ecuación (3.42). Emplear la razón de vueltas calculada en el problema 3.4 y suponer una longitud de la bobina de 10 cm, un área media de vuelta
(As) de 12 cm 2 y una densidad residual (B r ) de 0.3 T.
3.9. Un voltaje no sinusoidal v == 120 sen 377 t - 60 sen 1885 t se aplica al devanado
de 200 vueltas de un transformador. ¿Cuál es la ecuación de la variación en el
tiempo del flujo en el núcleo? Determinar el valor máximo del flujo y trazar las
formas de onda del voltaje y del flujo.
3.10. Un transformador está especificado en 100 kV A, 11,000:2 200 V Y 60 Hz. La
prueba sin carga en el devanado de bajo voltaje dio 2200 V, 2 A, 100 W y 60 Hz.
Si esta prueba se efectuara en el devanado de alto voltaje, determinar cuáles serían la corriente y potencia medidas.
Problemas 141
3.11. El voltaje v = 100 sen 377 t se aplica al devanado de un transformador en una
prueba sin carga. Se encuentra una corriente i = 5 sen (377t - 60°) + 2 sen (1131
t - 120°) A. Determinar la pérdida por núcleo y el valor rcm de la corriente de
excitación.
3.12. Una prueba en régimen sin carga en un cierto transformador dio los siguientes
datos: 120 V, 2.3 A, 75 W y 60 Hz. Sin tomar en cuenta la resistencia de devanado y la reactancia de fuga, determinar el valor de la reactancia magnetizante
xq>, la resistencia equivalente de pérdida por núcleo reY el factor de potencia en
ese régimen.
3.13. Si la resistencia (y la reactancia del devanado) del transformador del problema
3.12 fueran 0.4 ohm s y 1.5 ohms, respectivamente, Jecalcular xrjJ y re, incluyendo los efectos de estas impedancias de devanado.
3.14. Un transformador especificado en 220:440 V, 25 kVa y 60 Hz, se prueba de la
manera siguiente: en régimen sin carga, la prueba en el devanado de 220 V dio
220 V, 10 A, 700 W y 60 Hz; la prueba en cortocircuito, efectuada en el devanado de 440 V, dio 37 V, la corriente nominal, 1 000 W y 60 Hz. Determinar las
impedancias del circuito equivalente completo (Fig. 3.9) en términos del devanado de 440 V. Establecer la suposiciones hechas para obtener estas impedancils.
3.15. Determinar el circuito equivalente completo en términos del devanado de ::20 V
para el transformador del problema 3.14.
3.16. La regulación de voltaje de un transformador se define como la diferencia del
voltaje del secundario (o voltaje de carga) en régimen sin carga, y el voltaje del secundario con carga, dividida entre el primero de esos voltajes. En porcentaje, se
expresa:
regulación de voltaje %
V z (sin carga) - V z (con carga)
= 100 - - - - - - - - - - - - V 2 (sin carga)
Por lo general, este cálculo se hace sin considerar las componentes de excitación;
esto es, usando el circuito equivalente aproximado de la figura 3.12. Para el transformador del problema 3.14, determinar la regulación de voltaje con los siguientes datos:
(a) carga nominal en el devanado de 440 V con un factor de potencia de 0.85
en atraso
(b) carga nominal en el devanado de 440 V con un factor de potencia de 0.85
en adelanto.
(c) un medio de la carga nominal en el devanado de 440 V con un factor de potencia de 0.85 en atraso.
3.17. Un cierto transformador se especifica para 1 000 kV A, 11 000:2 200 V Y 60 Hz.
La prueba de cortocircuito en el devanado de 11 000 V da 1 000 V, corriente
nominal y 9 kW. Determinar la resistencia serie equiyalente, la reactancia e impedancia en términos de ambos devanados.
142 Transformadores
3.18. Un transformador con valores nominales de 500 kV A, 2400: 120 V Y 60 Hz tiene una pérdida en régimen sin carga (al voltaje nominal) de 1 600 W y una en
cortocircuito (en corriente nominal) de 7 500 W. Determinar la eficiencia de este
transformador bajo las siguientes condiciones de carga:
(a) Corriente nominal con factor de potencia de 0.8 en atraso
(b) 300 kW con factor de potencia de 0.8 en adelanto
(c) 100 kW con factor de potencia de 0.8 en atraso
3.19. Tres transformadores idénticos tienen valores nominales, cada uno, de 200 kVA,
13 200:2 300 V Y 60 Hz. Los devanados de alto voltaje se conectan en delta y
los de bajo voltaje en Y. Determinar los voltajes y corrientes nominales de los
devanados de línea y fase en ambos lados de la conexión polifásica.
3.20. Una carga trifásica equilibrada de 300 kVA en 460 V va a conectarse a un sistema trifásico de 2 300 V mediante un banco de transformadores conectados en
delta. Especificar los valores nominales de corriente, voltaje y kVA de los devanados de cada transformador.
3.21. Dos transformadores, del tipo descrito en el problema 3.19, se conectan en delta
abierta en primario y secundario.
(a) Determinar los kV A de carga que pueden suministrarse con esta conexión.
(b) Una carga trifásica conectada en delta, de 300 kVA, 0.866 de factor de potencia y 2 300 V se conecta a las terminales de bajo voltaje de este transformador en delta abierta. Determinar las corrientes del transformador en el
lado de 3 200 V de esta conexión.
3.22. El transformador del problema 3.14 se conecta como autotransformador para
bajar 660 V a 220 V.
(a) Determinar la razón de autotransformación a'.
(b) Determinar la capacidad, en VA, del auto transformador
(c) Con una carga de 25 kV A Y un factor de potencia de 0.866 en atraso, conectada a las terminales de 220 V, determinar las corrientes en la carga yen los
dos devanados del transformador.
3.23. Una carga de 12 kVA con un fp de 0.7 en atraso va a alimentarse en 110 V, de una
fuente de 120 V, mediante un auto transformador. Especificar los valores de voltaje y corriente de cada sección del autotransformador.
3.24. Un transformador con polaridad aditiva se especifica en 15 kV A, 2 300:115 V y
60 Hz. En estas condiciones nominales, el transformador tiene una pérdida por
excitación de 75 W y una por cortocircuito de 250 W. Se va a conectar como
autotransformador para subir 2 300 V a 2 415 V. Con un fp de carga de 0.8
en atraso ¿qué carga en VA puede suministrarse sin exceder la capacidad de corriente en ningún devanado? Determinar la eficiencia en esta carga.
Capítulo 4
Sistemas
electrornecánicos
Hasta ahora, en este estudio, no se ha incluido ningún movimiento
mecánico. En capítulos anteriores se señaló que el proceso de conversión
de energía electromecánica implica necesariamente movimiento, tanto mecánico como eléctrico. Por movimiento mecánico se entiende las variaciones de posición y velocidad de un circuito, ya sea eléctrico, magnético o
electromagnético, con respecto a otro. El movimiento eléctrico implica
cambios en la corriente, voltaje y eslabonamiento de flujo en el circuito.
En la práctica con frecuencia se considera más de un circuito y no se permite que los voltajes y corrientes terminales varíen en forma simultánea.
El movimiento mecánico de un dispositivo se puede originar debido
a fuerzas mecánicas aplicadas exteriormente, como en los generadores
eléctricos, a fuerzas de origen electromagnético, como en los motores eléctricos. No obstante es necesario saber qué fuerzas electromagnéticas también están presentes en los generadores, pero éstas tienden a oponerse a las
fuerzas mecánicas externas. Además, a causa del movimiento mecánico,
surgen en los motores voltajes inducidos internos. La comprensión de la
producción de fuerzas por efectos electromagnéticos es un auxiliar para el
desarrollo de las máquinas eléctricas. Antes de evaluar en forma cuantitativa estas fuerzas, se considerarán cualitativamente en términos de principios de trabajo, mostrando algunos ejemplos.
En este capítulo, el estudio se limitará a sistemas electromecánicos de
parámetros concentrados, donde los campos son cuasiestacionarios y donde los efectos mecánicos y eléctricos pueden expresarse en términos de un
número finito de variables. Con frecuencia se supondrá un movimiento incremental, para simplificar el análisis. Como ejemplos típicos de sistemas
electromecánicos con movimiento incremental, se tienen diversos trans143
144 Sistemas electromecánicos
ductores, tales como altoparlantes, micrófonos, relevadores electromagnéticos y otros.
4.1 FUERZAS MECANICAS DEBIDAS A CAMPOS MAGNETICOS
Los dos efectos fundamentales de campo magnético, que se obtienen en la
producción de fuerzas mecánicas son a) alineamiento de las líneas de flujo y b), la interacción de campos magnéticos y conductores portadores
de corriente. En las figuras 4.1 a, b y c, se muestran ejemplos de "alineamiento". En la figura 4.1a, la fuerza sobre las piezas ferromagnéticas las
hace alinearse con las líneas de flujo, reduciendo así la trayectoria de
Piezas ferromagnéticas
F"
Líneas de flujo
¡magnético
Eje del
estator
Estator
Eje del
rotor
(b)
(e)
FIGURA 4.1 Efectos de campo magnético produciendo una fuerza de origen
eléctrico, a) Alineación de piezas ferromagnéticas en un campo magnético. b)
Un motor de reluctancia. e) Alineación de dos bobinas portadoras de corriente.
Fuerzas mecánicas debidas a campos magnéticos 145
flujo magnético y aminorando la reluctancia. La figura 4.1b muestra una
forma simplificada de un motor de reluctancia, en el que la fuerza eléctrica tiende a alinear al eje del rotor con el del estator. La figura 4.1c muestra
el alineamiento de dos bobinas portadoras de corriente. En las figuras
4.2 a, b, y e, se muestran algunos ejemplos de interacción, en los que los
conductores con corriente experimentan una fuerza mecánica al colocárseles en un campo magnético. Por ejemplo, en la figura 4.2b se produce
una fuerza por la interacción de las líneas de flujo y la corriente de bobina, que da lugar a un par en la bobina móvil. Este mecanismo es la base
de una gran diversidad de instrumentos de medición eléctrica. Casi todos
los motores industriales de c.c. trabajan de acuerdo al principio de "interacción" .
-----1 -..
-+--+-5
(b)
(a)
N
(e)
FIGURA 4.2 Fuerza eléctrica producida por la interacción de conductores
con corriente y campos magnéticos. a) Bobina de una vuelta en un campo
magnético. b) Un amperímetro de bobina móvil e imán permanente. e) Una
bocina de bobina móvil.
.,
146 Sistemas electromecánicos
Más tarde se considerará la evaluación cuantitativa de la fuerza mecánica de origen electromagnético. Aquí se estudiarán sólo algunos de los
principios de producción de fuerza. Se debe señalar que la fuerza tiene
siempre una dirección tal que se reduce la reluctancia magnética o baja al
mínimo la energía almacenada en el campo magnético. Además pueden
producirse fuerzas de magnitud relativamente pequeña, en virtud de la
deformación de un material ferromagnético por magnetostricción, el cual
no se considerará en este libro.
4.2 CONSERVACION y CONVERSION DE ENERGIA
Se han proporcionado algunos ejemplos que muestran cómo los campos
magnéticos producen fuerzas mecánicas. Es obvio que para la conversión
de energía, es decir, para realizar trabajo, el movimiento mecanico es tan
importante como la fuerza mecánica. De esta manera, durante un movimiento mecánico, la energía almacenada en el campo magnético asociado
se perturba. Por ejemplo, en la figura 4.2b, la mayor parte de la energía
de campo magnético se almacena en el entrehierro de aire que separa al
rotor del estator. Al campo de ese entrehierro puede llamársele el campo
de acoplamiento. La conversión de energía electromecánica ocurre cuando
se alteran los campos de acoplamiento, de manera que la energía almacenada en los campos cambia con el movimiento mecánico. Es posible justificar esta aseveración mediante principios de conservación de energía, que
permiten determinar las magnitudes de las fuerzas mecánicas que resultan
de efectos de campos magnéticos.
El principio de la conservación de la energía, en relación a los sistemas electromecánicos, puede enunciarse de diferentes maneras. Por ejemplo, puede decirse que:
energía
eléctrica
de entrada
+
energía
disipada
como calor
( 4.1)
energía
incremento en
la energía + disipada
como calor
almacenada
(4.2)
energía
mecánica
de entrada
=
trabajo
mecánico
realizado
+
aumento en
la energía
almacenada
+
o bien
energía
eléctrica
de entrada
0, si sólo se considera la porción conservativa (sin pérdidas) del sistema, se
obtiene
La ecuación de fuerza 147
suma de energía
=
cambio en la
(4.3)
energía almacenada
de entrada
o bien,
energía
eléctrica
de entrada
trabajo
mecánico
realizado
=
+
incremento
en la energía
almacenada
(4.4)
En la figura 4.3 se da una representación esquemática de la separación de la parte conservativa de un sistema respecto a la disipativa. La
energía total almacenada se obtiene sumando la de los campos eléctricos y
magnéticos. No obstante, en la práctica la energía almacenada en el campo
eléctrico es casi despreciable.
F'
¡'
+
+
Entrada eléctrica a la 'parte
Entrada eléctrica al sistema
conservativa
Entrada mecán Ica Entrada mecánica
a la parte
al sistema
conservativa
FIGURA 4.3 Representación de un sistema electromecánico.
4.3 LA ECUACION DE FUERZA
En las observaciones anteriores, se vio que la conversión de energía es posible por el intercambio de energías eléctrica y mecánica vía los campos de
acoplamiento. Este hecho conduce, a su vez, a un método para determinar
las fuerzas mecánicas que resultan de los cambios de energía almacenada.
Así, con referencia a la figura 4.4, la ecuación (4.3) implica que
F dx+vidt=dW
donde
F dx
vi dt
dW
=
=
entrada de energía mecánica
entrada de energía eléctrica
incremento en la energía almacenada.
(4.5)
148 Sistemas electromecánicos
Ahora, si Fe es la fuerza de origen eléctrico y actúa contra F (figura 4.3),
es decir, Fdx = -Fedx Y si dWm es la energía almacenada en el campo
magnético -suponiendo que la energía almacenada en el campo eléctrico
es despreciable-, la ecuación (4.5) se puede reescribir como
(4.6)
Fedx= -dWm+vidt
Según la ley de Faraday de voltaje, v puede expresarse en términos de /1..,
eslabonamiento de flujo, como
d/l..
v=dt
(4.7)
de manera que la ecuación (4.6) se convierte en
(4.8)
(a)
(b)
A
A
t
t
-i
-i
(e)
(d)
FIGURA 4.4 Equilibrio energético en un sistema electromecánico. a) Un sistema sencillo. b) Operación con corriente constante. e) Operación con voltaje
constante (o eslabonamiento de flujo). d) Un caso general.
La ecuación de fuerza 149
Antes de continuar, es necesario señalar que la ecuación (4.8) es un replanteamiento de la ecuación (4.4).
En un sistema electromecánico, (i, x) o (A, x) pueden considerarse
como variables independientes. Si se toma (i, x) como independiente, el
esolabonamiento de flujo Ase obtiene como A= A(j, x), expresable en términos de cambios pequeños:
aA . aA
ai
ax
dA=-dl+-dx
Se tiene, además, Wm
= Wm
(4.9a)
(i, x) de manera que
aW
aW
ai
ax
m
m
dW = --di+
--dx
m
(4.9b)
Así, al sustituir (4.9a) y (4.9b) en (4.8) se tiene
aWm
aWm . • aA
.aA .
F dx= - --dx- --dl+l-dx+l-dl
e
OX
ai
ax
ai
o bien
. aA )
m
• al..) .
aW-m +1F dx= ( - dx+ (a
- -W+1di
ax
e
ax
ai
ai
(4.10)
Dado que los cambios incrementales di y dx son arbitrarios, Fe debe ser independiente de esos cambios. Así, si Fe no depende de di, su coeficiente
en (4.10) debe ser cero y, por lo tanto, esta ecuación se convierte en
aWm ( . ) + laxl,x
. aA ( . )
Fe=-~/,X
(4.11 )
que es la ecuación de fuerza. Esta ecuación es válida si i es la variable independiente. Por otra parte, si A se toma como variable independiente, es
decir, si i = i(A, x) y Wm = Wm (x, x) entonces
la que, al sustituirse en (4.7) da
aWm
aWm
.
F dx= - --dx- --dA+ldA
e
Pero fidA
ax
aA
= Wm , de modo que (4.12) queda finalmente
(4.12)
15 O Sistemas electromecánicos
aWm
F = - - ( \ x)
e
(4.13)
ax'
Se observa que la derivación anterior supone a i o a A como variable
independiente. El caso en que i sea la variable independiente, corresponde
a un sistema excitado con corriente. Para un sistema electromécanico,
como el que se muestra en la figura 4.4a, la corriente en la bobina se mantiene en un valor constante lo durante el lapso en que la armadura pasa de
la posición (1) a la (2). Durante este movimiento, el eslabonamiento de flujo
cambia deA¡ aA 2 ylaentradadeenergíaeléctricasehacedWe =10(A2 -Al).
La energía eléctrica proviene de la fuente de corriente, como se ilustra en
la figura 4.4b. También, durante el proceso, el incremento en la energía de
campo es dWm
lo (A2 -- Al).
De esta manera, de (4.5), se tiene
=t
ó
o bien
1
2"
Fdx=--/ (\ -A)
2
J
(4.14)
donde F puede considerarse como una fuerza mecánica aplicada externamente; el signo negativo, asociado a dx, indica que el movimiento tiene
lugar contra la dirección positiva de las x. Es obvio que el segundo miembro de (4.14) es negativo, A2 > Al Y Fdx = -Fedx. Así, (4.14) se convierte en
(4.15)
indicando que para un sistema excitado con corriente, la entrada de energía eléctrica se divide en partes iguales entre la energía almacenada que va
en aumento y la realización de trabajo mecánico.
A continuación se considera el caso en que el eslabonamiento de flujo se mantiene constante en Aa y se permite que la corriente varíe de i 1 a
i 2 (i2 < i l ) durante el movimiento, como se muestra en la figura 4.4c.
En este caso no hay entrada de energía eléctrica proveniente de la fuente,
como puede verse comparando las figuras 4.4b y c. El cambio en la energía almacenada es
La ecuación de fuerza 151
que es negativo. De este modo, de (4.5) se obtiene
Fdx = dWm
ó
o bien
(4.16)
indicando que el trabajo mecánico realizado es igual a la reducción en la
energía almacenada.
En las anteriores discusiones teóricas se ha considerado que i o A
permanece constante. Sin embargo, en realidad, ninguna condición se sostiene y el cambio de la posición (1) a la (2) sigue una trayectoria como la
que se muestra en la figura 4.4d. No obstante, siguen siendo útiles los principios de la conservación de la energía para determinar la fuerza eléctrica.
Si no se considera la saturación, las ecuaciones (4.11) y (4.12) dan
(4.17)
de tal manera que
F=.l¡2aL=_.lA~
e
2 ax
2 ax
",
I
I
I
I
I
I
Masa de
hierro
I
I
I
"
Núcleo-------
J
/
FIGURA 4.5 Un sistema electromecánico.
(4.18)
152 Sistemas electromecánicos
Con los ejemplos siguientes se ilustrará la aplicación de la ecuación de
fuerza.
Ejemplo 4.1
En un sistema electromecánico (figura 4.5), la corriente, el eslabonamiento de flujo y la posición se relacionan mediante
Encontrar la fuerza en la masa de hierro en x = 0.5.
Recuerde que Wn = fidA Y de la expresión dada para i, se obtiene
Por lo tanto, la fuerza eléctrica, calculada con (4.12) es
Pudo llegarse al mismo resultado calculando
ai/ax como
a"
ax =4A(x-l)
_1
y sustituyendo esta expresión en (4.18) para obtener
En x = 0.5, Fe = A2 , lo que indica que la fuerza es proporcional al cuadrado del eslabonamiento de flujo, si no se toma en cuenta la fuga.
Ejemplo 4.2
En la figura 4.6 se muestra una máquina elemental de reluctancia. La máquina se excita por separado, es decir, tiene sólo un devanado en el estator.
El devanado de excitación se enrolla en el estator, lo que deja libre al rotor
para que gire. La forma del rotor y estator es tal, que la variación de la inductancia de los devanados es sinusoidal con relación a la posición del
rotor. La variación espacial de la inductancia es de frecuencia doble; es
decir
L( B ) = L" + L' cos2B
donde los símbolos tienen el significado que se indica en la figura 4.6. Para
una excitación
La ecuación de fuerza 153
Eje del
estator
Estator
+
l'
,\'
lI~del
rotor
(/,)
FIGURA 4.6 a) Una máquina de reluctancia. b) Variación de inductancia.
i= l",senwt
determinar los valores instantáneo y promedio del par.
La energía almacenada es
y el eslabonamiento de flujo
>'(B)=L(B)i
donde i es la variable independiente.
Por consiguiente, de (4.11),
154 Sistemas electromecánicos
la que, expresada en términos ·de inductancia y corriente, se convierte en
Para variaciones dadas de corriente e inductancia,
Si se permite que el rotor gire con una velocidad angular w m tal que en
cualquier instante
O=Wmt -
o
.(o es la posición del rotor en t = O, cuando la corriente i es también cero),
la expresión para el par instantáneo queda entonces en términos de
Ü)m como
Te = -
W
y
~ I~L' {sen2(wmt- o) - ~ [sen2(wmt +wt- o)
+sen2(wm t -wt - o) ] }
Para obtener la forma final anterior, se usaron las siguientes identidades
trigonométricas:
sen2A = -!(1-cos2A)
y
sen ecos D
1
= 2' sen (e + D) +
2'1 sen (e -
D)
De la expresión anterior se concluye que el par promediado en el tiempo
es cero, ya que el valor de cada término integrado en un período es cero.
El único caso en que el par promedio no es cero es cuando w = W m • Para
esta frecuencia particular, la magnitud del par promedio es
L' sen_o
')<
T prom -- 4.1]2
m
o, de la figuro:) 4.6b,
i
Tprom = I~ (L d
-
L q )sen2ú
Así, por ejemplo, en 1m = 4 A, Ld = 0.2 H y Lq
máximo es 0.2 N-m (Newton-metro).
= 0.1 H y el par promedio
La ecuación de fuerza 155
Pueden sarse varias conclusiones del análisis anterior. La máquina desarrolla un par promedio sólo en una velocidad particular, correspondiente
a la frecuencia w = w m , que se conoce como velocidad síncrona. La máquina de reluctancia es por lo tanto una máquina síncrona. El par desarrollado por la máquina se denomina par de reluctancia, que será nulo si
Ld = Lq . El par varía sinusoidalmente con el ángulo o, llamado ángulo de
par. Las inductancias Ld y Lq son los valores máximo y mínimo de la inductancia y se les conoce como inductancia de eje directo e inductancia de
eje en cuadratura, respectivamente. El máximo par tiene lugar en el punto
en que = 45°, llamado par de tirón exterior. Cualquier carga que requiera un par mayor que el máximo, se traduce en una operación inestable de
la máquina.
o
Ejemplo 4.3
En este ejemplo se estudia el efecto de incluir en el análisis la resistencia
de una bobina excitada con voltaje, como la de la figura 4.5. Sea r la resistencia de la bobina de N vueltas. Sin tomar en cuenta la saturación, determine los valores instantáneo y promedio de la fuerza eléctrica si el vol taje
de terminal es v = Vm sen wt y la reluctancia del circuito eléctrico corrpleto puede expresarse como R = a + bx, donde a y b son constantes.
La energía almacenada en el campo magnético se expresa así:
donde
tiene
N1> = A es el eslabonamiento de flujo de la bobina. Por lo tanto, se
ya que R = a + bx.
El problema se reduce ahora a relacionar 1> y v como sigue:
.
dcp
v=n+Ndi'
where cp=
Así, bajo condiciones de régimen estacionario,
donde
Ni
R
156 Sistemas electromecánicos
y
La fuerza instantánea es, por consiguiente,
El valor promedio en el tiempo se determina de
Obsérvese que el valor promedio de sen 2 (o cos 2 ) es 1/2.
4.4 VARIACIONES DE CORRIENTE Y FLUJO
En un sistema excitado con voltaje es necesario investigar la variación de
la corriente de entrada en función del tiempo. La discusión siguiente es
sólo cualitativa. Más tarde se verá un ejemplo numérico.
Consideremos el sistema mostrado en la figura 4.7. Cuando no hay
voltaje aplicado, el hierro móvil (armadura) se encuentra, digamos, a una
distancia X o del núcleo. La inductancia correspondiente es Lo -valor mÍnimo de la inductancia- y la constante de tiempo 70 es Lo/r. Si se mantiene el hierro en la posición original y se aplica un voltaje escalón, el circuito
se comporta como un circuito rL, con constante de tiempo 70 • La corriente final es V/r, donde Ves el voltaje aplicado. No obstante, si se le permite
¿(x)
FIGURA 4.7 Modelo de un relevador electromagnético.
Dinámica de los sistemas electromecánicos 157
Corriente final ~
r
2l
e
"Eo
U
t
Principia el movimiento mecánico
FIGURA 4.8 i(t) para un voltaje de entrada escalón.
al hierro desplazarse y su posición final es xf, la inductancia del circuito
aumenta a Lf y la constante de tiempo correspondiente es Tf = Lf/r. Es evidente que Tf > To . Para las posiciones inicial y final del hierro móvil, se
muestran las corrientes en la figura 4.8 por las curvas a) y b), respectivamente. Sin embargo, la transición de a) a b) no es continua, porque tan
pronto como el hierro principia a moverse, la constante de tiempo mecánica T m entra en juego. Debe reconocerse que T m > T f > T o. Esto explica
la naturaleza de la variación de corriente cuando al hierro móvil se le permite moverse en un voltaje constante.
En el caso de excitación con corriente constante, son de interés las
variaciones de flujo. Para la posición inicial X o la reluctancia es máxima y
el flujo correspondiente 1>0 es un mínimo. El flujo alcanza su valor máximo 1>f cuando se completa el movimiento. La variación del flujo la gobiernan tanto la constante de tiempo mecánica como la eléctrica, como en el
caso anterior. Es interesante obtener la variación de flujo en función del
tiempo. (Ver Probo 4.12).
4.5 DINAMICA DE LOS SISTEMAS ELECTROMECANICOS
En las discusiones precedentes se supuso un movimiento mecáncio y
eléctrico durante el proceso de conversión de energía electromecánica.
En esta' sección se estudiará la dinámica electromecánica, derivando las
ecuaciones pertinentes del movimiento y resolviéndolas en seguida para
varias condiciones de operación. Se obtendrá así el comportamiento dinámico de un sistema dado. También se considerarán algunos ejemplos
ilustrativos.
Al tratar de obtener la información cuantitativa necesaria acerca de
un dispositivo de conversión específico, por lo general surgen varias dificultades. En primer lugar, los parámetros involucrados en las ecuaciones
de movimiento son difíciles de evaluar. Tienen que hacerse aproximacio-
158 Sistemas electromecánicos
nes liberales para obtener modelos susceptibles de análisis. Para citar un
ejemplo específico, al calcular las inductancias de varios devanados de
un dispositivo electromagnético, se menosprecian con frecuencia los efectos de saturación como una primera aproximación. Del mismo modo, en
conversores rotatorios de energía no es conveniente tomar en cuenta ciertas consideraciones prácticas como armónicas, fugas y efectos de ranuras y
dientes, a pesar de que cada uno de estos factores contribuye a la operación del dispositivo. En estos casos se reemplaza el dispositivo por un modelo idealizado. Se introducen supuestos para simplificar y cuando es
necesario obtener cierto grado de exactitud, se incluyen los efectos de segundo orden en la solución, mediante técnicas especiales, como métodos gráficos y numéricos. Una vez determinados los parámetros en las ecuaciones
de movimiento -un paso de suma importancia para estudiar los dispositivos de conversión de energía-, la formulación de las ecuaciones mismas
(que se estudiará después) es un asunto de rutina.
El segundo paso difícil en el estudio de un dispositivo de conversión de energía, es resolver las ecuaciones de movimiento obtenidas. Estas
ecuaciones casi siempre no son lineales con coeficientes variables en el
tiempo. No existen métodos generales para resolver este tipo de ecuaciones y es necesario hacer aproximaciones para obtener los resultados finales. Por ejemplo, en el caso de transductores, se supone un movimiento
incremental (a menudo no demasiado fuera de la realidad) y se linealizan
las ecuaciones no lineales resultantes, alrededor de un punto de operación
en reposo.
Una vez linealizadas, las ecuaciones se resuelven por un método usual.
Para conversores de energía rotatorios, como los motores y generadores,
el procedimiento para formular las ecuaciones de movimiento es semejante
al del transductor. La solución de estas ecuaciones se facilita mediante
transformaciones lineales o por alguna otra técnica, como métodos numéricos, o por el uso de computadoras analógicas o digitales, que también
pueden utilizarse para resolver las ecuaciones de movimiento sin linealizarlas.
El análisis y estudio de los conversores de energía electromagnéticos
incluye, por lo tanto, los siguientes aspectos:
1. Consideraciones topológicas y descripciones físicas: proporcionan las ubicaciones de las terminales de entrada y salida; identifican los elementos móviles y fijos y especifican la estructura del
circuito magnético, de datos de devanados y de otras dimensiones
físicas.
2. Elección de un modelo y de supuestos para simplificar: Por lo
general dependen del problema que se trate y del grado de exactitud deseado en la solución. Por ejemplo, en un dispositivo magnético, en una primera aproximación no se toman en cuenta los
Dinámica de los sistemas electromecánicos 159
efectos de borde, la saturación y la histéresis. Se supone que la
permeabilidad del material magnético es infinitamente mayor que
la del espacio libre y, en consecuencia, se supone que la energía
magnética se almacena sólo en el entrehierro.
3. Determinación de los parámetros del sistema: aquí se incluye la
evaluación de las resistencias, inductancias y capacitancias de
la parte eléctrica del sistema, así como la determinación de la
masa (o momento de inercia), rigidez y coeficiente de rozamiento para la parte mecánica. Los parámetros se obtienen casi siempre de la descripción física del sistema y de las suposiciones para
simplificar la elección del modelo. En la mayoría de los casos de
importancia práctica, la determinación de los parámetros consiste
en el cálculo de varias inductancias, un paso difícil pero importante, del que depende el rendimiento de un dispositivo electromagnético.
4. Formulación de las ecuaciones de movimiento eléctrico y mecánico: estas son, respectivamente, las ecuaciones volt-ampere y las
de equilibrio de fuerzas (o de equilibrio de pares). Estas ecuaciones se pueden derivar de uno de los métodos que se estudiarán
después.
5. Solución de las ecuaciones de movimiento: este paso se efectúa
una vez que se formulan las ecuaciones de movimiento. Casi siempre, las ecuaciones diferenciales resultantes son no lineales. En
casos sencillos, como en el de transductores para aplicaciones de
señales débiles, primero se linealizan las ecuaciones de movimiento y después se resuelven como si fueran ecuaciones diferenciales
lineales con coeficientes constantes. En casos complicados de
máquinas eléctricas rotatorias, son necesarios ciertos tipos de transformaciones lineales. No se dispone de un método general que
abarque todos los casos. Si se dispone de computadoras digitales,
es muy fácil obtener soluciones numéricas, aun sin linealizar las
ecuaciones de movimiento.
4.5.1 Formulación de las ecuaciones de movimiento
Las características eléctricas y mecánicas de un sistema electromagnético
las proporcionan, respectivamente, las ecuaciones de movimiento eléctrico y mecánico, que son las de equilibrio de voltajes (o corrientes) y de
equilibrio de fuerzas, (o pares) que pueden obtenerse igualando las "fuerzas aplicadas" con las de "restauración". En la ecuación eléctrica, las
fuerzas eléctricas de origen mecánico se obtienen de la ley de Farday.
Las fuerzas mecánicas de origen eléctrico se determinan mediante la
ecuación de fuerza establecida antes. Al formular la ecuación mecánica, se
considera la fuerza mecánica que resulta del efecto de campo magnético
160 Sistemas electromecánicos
lE
~_ _
1
1
-
I I+----~---- x
I
Masa M
1
----
0
_j
-------- - ---- -
~
~
~b
Coeficiente
de rozam iento
a Sección
transversal
FIGURA 4.9 Un sistema electromecánico.
como una fuerza aplicada exteriormente. Se denominará esta fuerza como
una fuerza eléctrica y se designará con Fe' Con el ejemplo que sigue se ilustrará la formulación de las ecuaciones de movimiento.
Un ejemplo de relevador electromagnético es el modelo de un sistema
de parámetros concentrados, que se muestra en la figura 4.9. No hay fuerza mecánica aplicada exteriormente. Se desea, en primer lugar, formular
las ecuaciones dinámicas de movimiento de acuerdo con los pasos siguientes:
1. Suposiciones. No se tomará en cuenta la saturación del circuito magnético, el cual se supone es de permeabilidad infinita, y también se ignorarán los flujos de fuga y de efectos de borde. Además, se supone que
la fuerza de rozamiento es linealmente proporcional a la velocidad, y
la del resorte también linealmente proporcional a la elongación.
2. Parámetros. Los parámetros mecánicos son: masa M, coeficiente de
rozamiento b y la rigidez del resorte k. Los parámetros del circuito
eléctrico son: resistencia r, e inductancia L, que pueden expresarse en
términos de las dimensiones mostradas en la figura 4.9 como sigue:
/LoaN
2
A
L(x)=--=-ll-x
C+x
(4.19)
donde A yC son constantes. (Observar que A = -l1 o aN 2 y e = -tI)'
3. Ecuaciones de movimiento. Ahora se pueden identificar las diferentes
fuerzas que actúan sobre el sistema.
a) Eléctricas:
ri+
:r (Li)=v
(4.20)
Dinámica de los sistemas electromecánicos 161
donde los términos del primer miembro denotan a las fuerzas de restauración o caídas de voltaje.
b) Mecánicas:
Mx+bx+k(x-l )=F = !"i2 oL
o
e
2 OX
(4.21)
donde el primer miembro es la suma de las fuerzas de restauración,
y donde Fe, la fuerza eléctrica considerada como fuerza externa, se
obtiene de la ecuación (4.11) o la (4.18).
4.5.2 Una reconsideración de (4.20) y (4.21)
Aquí se reconsideran las ecuaciones de movimiento, en vista de que son
importantes para determinar el comportamiento de un sistema. En la ecuación eléctrica, el término que resulta del movimiento mecánico es de particular importancia y en la ecuación mecánica reviste especial interés el
término que se atribuye al "movimiento eléctrico". Así, en la ecuación
(4.20), se tiene d(li)jdt, que también puede escribirse como
-d
dt
(L')
¡ -_ L -di
dt
+¡
.dL
. dL
- -_ L -di + ¡
- X.
dt
dt
dx
(4.22)
x
donde = dx/dt = velocidad mecánica, que es un cambio de la inductancia
con respecto al tiempo. Obsérvese que el segundo término en (4.22) proviene del movimiento mecánico y se denomina voltaje de movimiento.
Además, la presencia de los términos (4.22) en (4.20) la hace una ecuación
diferencial no lineal. Más tarde se insistirá en este punto.
Consideremos ahora el segundo miembro de (4.21), que junto con
(4.19) da
li2_oL_ = lp_O_(_A_) =
2
OX
2
ox
e+ x
_
A _...:.i_2_
2 (e + X)2
(4.23)
que es también un término no lineal que hace a (4.21) una ecuación diferencial no lineal. Nótese que A = -Ji Q aN 2 Y e = --/1' lo que implica que la
fuerza eléctrica sea po~tiva y actúe en la dirección positiva de las x.
4.5.3 Soluciones anal íticas de las ecuaciones de movimiento
Por conveniencia, se reescribirán las ecuaciones de movimiento (4.20) Y
(4.21) como sigue:
di .dL.
.
L -+¡-x+n=v
dt
dx
(4.24)
162 Sistemas electromecánicos
(4.25)
Como se mencionó en la última sección, estas ecuaciones son no lineales y
no es posible obtener soluciones analíticas explícitas. No obstante, para
señales débiles y movimiento incremental, puede obtenerse información
útil sobre el sistema resolviendo las correspondientes ecuaciones de movimiento diferenciales linealizadas.
Además de la limitación a señales débiles, la linealización de las ecuaciones para un sistema físico dado, requiere que exista un punto de equilibrio estable. Las señales pequeñas (o movimiento) son los recorridos
alrededor de este punto de equilibrio. Sea que (Vo , lo, X o ) denoten al
punto de equilibrio estable en estado estacionario, tales que
v(t)= Vo+VI(t)
i(t)=lo+il(t)
(4.26)
x(t)=Xo + xl(t)
donde (v, i, x) son las variables originales y (v 1, Xl, i 1) pequeñas perturbaciones alrededor de (Vo , lo, X o ). La pequeñez se mide por hecho
de que términos de tipo producto como ¡2, i 1 X 1 etc., son despreciables. Sin perder de vista estas limitaciones, se examinarán los términos
no lineales en (4.24) Y (4.25). Por ejemplo, sustituyendo x = Xo + Xl
en (4.19), se obtiene
2
2
/LoaN
/LoaN
1
)
(
L= ll-X = II-Xo-x l =Lo 1-x l /(lI-Xo)
(4.27)
X )-1
=Lo 1 ___1_
ll-Xo
(
donde Lo = [Jl o aN 2 /(11 - X o )]. Para valores pequeños de
de desarrollarse en serie binómica como
Xl'
(4.27) pue-
1
(4.28)
I
I )3
XI
(X
L=Lo 1+--+
- - )2 + (-X+ ...
[
11 - X o
tI - Xo
11 - Xo
Además, de (4.28) se obtiene
I )2 + ...
aL= Lo- [ 1+--+3
2x I
(X
-aX I 11 - Xo
11 - X o
11 - X o
1
(4.29)
Dinámica de los sistemas electromecánicos 163
Las formas linealizadas de (4.28) Y (4.29) serían entonces
(4.30)
y
(4.31)
donde se supone que XI / (1 1 - X o ) <{L y todos los términos de segundo orden y de orden superior a éste en (4.28) y (4.29) no se toman en cuenta.
El eslabonamiento de flujo A se hace entonces
A=Li
(despreciando xli 1 )
y
(4.32)
(4.33)
La sustitución de (4.26), (4.32) Y (4.33) en (4.20) da
(4.34)
El punto de operación en c.c. o en estado estacionario se obtiene de
(4.35)
y los términos restantes en (4.34) dan la dinámica eléctrica (alrededor de
este punto como
(4.36)
164 Sistemas electromecánicos
Esta es la ecuación linealizada de movimiento.
En seguida se considerará el segundo miembro de (4.21), en el que se
sustituye (4.31) y
I'2_
-
2
1o2 +21ol¡. + I¡'2_
- 10+ 21'
ol¡
(despreciando ij )
para obtener
2
Lo 10
2(l¡ - Xa>
Lo lo .
I¡ - X o
---- + --I¡ +
Lo 1;
x¡
(l¡ - X o)2
(4.37)
(no considerando al término i¡x¡). Al sustituir (4.26) y (4.37) en (4.21)
se obtiene
(4.38)
El equilibrio mecánico de estado estacionario lo da
k(X -/)= _
o
o
L 12
o o
;V¡-Xo)
(4.39)
mientras que la dinámica mecánica, obtenida de los términos restantes de
(4.38), la da la ecuación linealizada siguiente:
..
. [ kMx¡+bx¡+
Lo 1; 1x¡=lYI¡
Lolo.
(l¡-Xo)2
¡- o
(4.40)
La dinámica electromecánica puede obtenerse resolviendo las ecuaciones linealizadas (4.36) y (4.40) por alguno de los métodos usuales. Las
soluciones se discuten en la sección 4.5.4.
4.5.4 Existencia del punto de equilibrio
Insistimos el1 que (4.35) y (4.39) proporcionan los puntos de operación en
estado estacionario. Es obvio que (4.35) es la ley de Ohm para un circuito
resistivo, de donde para una r dada, puede determinarse (Vo • lo)' Si se conoce lo, puede resolverse (4.39). La solución se ilustra gráficamente en la
figura 4.10, donde se grafican como funciones de X o las fuerzas del re-
Dinámica de los sistemas electromecánicos 165
1.0r-----r---_._---r------,r---~---_._--__,
0.9
0.8
0.7
t
0.6
z
. 0.5
ló> lo
~
Q)
:J
lL
0.4
0.3
Fuerza elástica
0.2
0.1
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
Xo(cm) -
FIGURA 4.10 Fuerza contra distancia. I~ = 2.45 A;I~'= 20 A; 11 = 3 cm, 19 =
2 cm, N = 200 vueltas; a = 1 cm 2 ; 110 = 41T X 10- 7 H/m y k = 1 N/cm.
166 Sistemas electromecánicos
sorte y la eléctrica, para dos corrientes diferentes. Existe un punto de
equilibrio si la línea que representa a la fuerza del resorte corta a la curva
de la fuerza eléctrica. Así, para una corriente mayor que lo (2.5A) no hay
punto de equilibrio y la fuerza eléctrica es siempre mayor que la del resorte, llevando a la masa de hierro a la posición extrema (Xo = 11 ). Para la
corriente l~ en el punto 3 (Xo = 2.3 cm) la fuerza del resorte es igual a
la eléctrica. Sin embargo, una ligera perturbación alrededor de este punto
haría que la fuerza eléctrica excediera a la de restauración del resorte. En
consecuencia, para I~ = 2.45 A, Xo = 2.3 no es un punto de operación
estable.
En seguida, si la corriente se reduce a li;' (= 2.0 A), obtenemos los
puntos 1 y 2 como puntos de equilibrio. En el punto 2, si la masa se desplaza a la izquierda (Xo incrementada), la fuerza eléctrica se hace siempre
mayor que la del resorte, originándose un movimiento continuo hacia la
izquierda hasta que X o = 11 • Por otra parte, si la masa se moviera a la derecha, (Xo decrementada) la fuerza del resorte sería siempre mayor que la
eléctrica y el movimiento continuaría hasta el punto 1 (Xo = 2.13 cm),
que es el punto de equilibrio estable. Una perturbación a la izquierda o a
la derecha del punto 1 haría que la masa regresara a 1. Por consiguiente, la
operación estable en reposo para el sistema es (Va = 6 V; lo = 2 A; Xo =
2.13 cm).
4.5.5 Soluciones numéricas
El uso de variables de estado en la teoría de sistemas lineales es una práctica común y una formulación de ecuaciones en términos de estas variables
facilita el estudio de los sistemas dinámicos. Los dispositivos electromecánicos, tales como transductores y máquinas rotatorias, se consideran como
sistemas dinámicos. Con la ayuda de rutinas normales de computadora,
puede obtenerse la solución de la ecuación de estado y estudiarse las características dinámicas del sistema. N o es más difícil programar la ecuación
no lineal que el sistema lineal, por lo que se evita el paso de linealización.
El análisis de un sistema no lineal es en realidad más fácil que el de la aproximación linealizada del sistema.
Las ecuaciones que describen el comportamiento de un sistema electromecánico puede reducirse a la formulación de estado
y=f(y, v,t)
donde y es el vector de estado y v es el vector de entrada. Si se supone un
movimiento pequeño alrededor de algún punto estable, la ecuación de estado puede linealizarse como
y=Ay+Bv
Dinámica de los sistemas electromecánicos 167
donde las matrices A y B se forman con parámetros del sistema. Como
muestra el ejemplo, si se busca una solución por computadora, es más fácil operar con las ecuaciones no lineales.
Para el relevador electromagnético se determi.narán la corriente, posición de armadura y la velocidad, en función del tiempo para una entrada
de voltaje escalón. Sean y 1 = i, Y2 = X, Y3 = X las variables de estado en las
ecuaciones de movimiento (4.20) y (4.21), con una L dada. Las ecuaciones de estado se convierten en
)
(4.41)
Las ecuaciones linealizadas (4.36) y (4.40) se expresan ahora como
(4.42)
donde
{3= k _
Lo!;}
(tI - X o )2
En la forma de estado, estas ecuaciones quedan
YI =
¡
('YI - 'YY3 + VI)
o
(4.43)
Aún con un sistema de ecuaciones tan sencillo como el (4.43), se
puede utilizar la computadora para determinar y graficar la solución. Una
vez que se decIde usar este recurso, se hace evidente que no es más difícil
168 Sistemas electromecánicos
SUBROUTINE FCT (X, Y, DERY, NDIM)
REAL *4Y(NT)IM), DERY(NDIM), SOL(lOO,4)
COMMON SOL,N,V,AM,AK,R,OL,B,C,A
IF(Y(2» 1,1,2
DERY (1)=(V - Y(l)*R)*Cj A
DERY (2)=0.
DERY(3)=0.
RETURN
2 DERY (1)=(V - Y(1)*R)*(Y(2)+C)j A+ Y(1)*Y(3)j(Y(2)+C)
DERY (2)- Y(3)
DERY (3)= - B*Y(3)j AM -AK*(Y(2)-OL)j AM -A*Y(1)*Y(1)j(2.*AM*(Y(2)+C)*
1(Y(2)+ C»
RETURN
END
FIGURA 4.11 Programa para la solución de un sistema no lineal.
6.0
t
4.0
2.0
OL-----~
20
____
____
____
____- L_ _ _ _
40
60
80
120
100
~
~
~
~
¡(ms)_
(a)
0.3
t
0.2
E
2
20
40
80
60
100
120
¡(ms) ~
(b)
FIGURA 4.12 a) i(t) para una entrada escalón. b) x(t) para una entrada de
voltaje escalón.
arcuitos eléctricos equivalentes 169
programar (4.41) que (4.43). Si se usa la ecuación no lineal, no hay que
realizar ningún trabajo adicional para linealizar.
Para analizar el relevador de la figura 4.9 se utiliza la subrutina RKGS
y se grafican los resultados. La figura 4.11 muestra las ecuaciones programadas para el sistema no lineal. Estas ecuaciones se introducen a la RKGS
mediante la subrutina exterior FeT. La figura 4.12 muestra la corriente y
la posición para un voltaje escalón aplicado. Las constantes empleadas en
este ejemplo son M = 10 g, b = 0.0001 N seg/cm, k = 1 N/cm, R = 1 n,
X o = 2.13; en la figura 4.10 se mostraron el resto de los datos.
4.6 CIRCUITOS ELECTRICOS EQUIVALENTES
Se sabe que la representación por circuito equivalente (como la estudiada
antes de los transformadores) es sumamente útil para analizar un sistema
y los sistemas electromecánicos pueden representarse mediante circuitos
equivalentes solamente eléctricos. En el ejemplo que sigue, se ilustra el
método para desarrollar un circuito equivalente de un sistema mecánico.
Un sistema solamente mecánico está constituido por un resorte, una
masa y un amortiguador, como se ilustra en la figura 4.13a, donde se supone que la fuerza de amortiguamiento es directamente proporcional a la
velocidad. Si Fex t es una fuerza externa aplicada, la ecuación de equilibrio
de fuerzas, de acuerdo con la ley de Newton es entonces
M.i+b.i+kx=FeXI
Si se supone que la fuerza F ext es análoga al voltaje v, entonces el circuito
de la figura 4.13 puede trazarse a partir de las siguientes correspondencias:
(a)
(b)
(e)
FIGURA 4.13 a) Un sistema mecánico. b) Circuito equivalente elédrico fuerza-voltaje. e) Circuito equivalente eléctrico fuerza-corriente.
170 Sistemas electromecánicos
Analogía fuerza-voltaje
FuerzaF
Velocidad
Amortiguación b
Masa M
Constante de resorte k
Voltaje v
Corriente i
Resistencia r
Inductancia L
Elastancia l/C = recíproca de la
capacitancia
x
Si la fuerza se toma como análoga de la corriente, también se tiene
la siguiente analogía, en base al principio de dualidad.
Analogía fuerza-voltjae
Voltaje v
Corriente i
Resistencia r
Inductancia L
Elastancia l/C = recíproca de la
capacitancia
FuerzaF
Velocidad
Amortiguación b
Masa M
Constante de resorte k
x
Esto da como resultado el circuito que se muestra en las figuras 4.l3( b) Y
(e).
En el ejemplo anterior se trató con un sistema puramente mecánico
muy sencillo, pero el método también se aplica a sistemas electromecánicos más complicados. Con base en el análisis anterior, puede desarrollarse
un circuito equivalente para el "relevador" que se estudió en la última sección. Para este propósito, se recordará la ecuación (4.42):
Si se hace
'YXl
di¡
.
.
L0dt +n¡ + YX¡ = v¡
(4.44)
Mi¡ +bx¡ + {3x¡- yi¡ =0
(4.45)
= V2, (4.44) puede escribirse como
(4.46)
Sustituyendo 'YXl
= V2
en (4.45), se tiene
..
M.
M x¡=-v2'
y
.
b
bx¡ = -v2'
y
Circuitos eléctricos equivalentes 171
+
VVv-~~----~----~-----+
FIGURA 4.14 Un circuito equivalente para el sistema electromecánico.
de tal suerte que (4.45) se hace
(4.47)
donde C 2 = M /,,(2, L 2 = "(2 /{3 Y G 2 = b 1'Y 2 • Con el empleo de estas constantes, (4.46) y (4.47) pueden representarse por el circuito equivalente de la
figura 4.14.
Por otra parte, (4.44) y (4.45) pueden también escribirse como
(4.48)
(4.49)
donde b = r 2 Y C 2 = 1/{3. Obsérvese que la reciprocidad de interacción mutua no es válida aquí, en virtud de que los coeficientes de los términos de
acoplamiento en las dos ecuaciones no aparecen con el mismo signo. Esto
puede tomarse en cuenta mediante el uso de un girador y el circuito equivalente se transforma entonces como se muestra en la figura 4.15.
G
FIGURA 4.15 Un circuito equivalente alterno.
e,
172 Sistemas electromecánicos
4.7 SISTEMAS CON EXCITACION DOBLE y MULTIPLE
Hasta aquí sólo se han considerado sistemas con una sola bobina (es decir,
con entrada eléctrica única), pero los principios se aplican igualmente a
sistemas de bobina múltiple (o sistemas multiexcitados). Para determinar
la fuerza eléctrica, por ejemplo, es necesario determinar la energía almacenada. Así, para un sistema con doble excitación (o de dos bobinas) como
el de la figura 4.16, pueden expresarse los eslabonamientos de flujo en
términos de las inductancias de la manera siguiente:
A) = L))i) + L 12 i2
A2 = Ll2i) + L 22 i2
Supóngase que existen cambios incrementales en los eslabonamientos de
flujo, de tal manera que
dA) = Llldi) + L 12 di 2
dA 2 = L 12 di)
+ L 22 di2
Para encontrar el cambio en la energía magnética almacenada, se multiplican las dA anteriores por las corrientes apropiadas. Por lo tanto
dWm = i)dA) + i 2dA 2
La energía total almacenda se calcula integrando esta ecuación para obtener
l L ·2 L .. + l L /·2
W m="2
11/)+ )2/)/2
"2 22 2
(4.50)
.. + L 12/)/2
., + L 22 1'2)
="2l (L ))/)·2 + L 121)/2
2
Además,( 4.50) puede generalizarse
(4.51)
o, en notación matricial,
};L"I
Wm = -1
2
(4.52)
Problemas de valores instantáneos, medios y RCM 173
I
i,
(
L l1
\
f'J
L'2
i2
L 22
I
FIGURA 4.16 Un sistema doblemente excitado.
donde i es una matriz columna, i es la transpuesta de i (es decir, i es una
matriz fila) y L es la matriz de inductancia del sistema.
Una vez que se determine la energía almacenada, el resto del procedimiento en el estudio de un sistema multiexcitado es semejante al ·lue
se vio antes.
4.8 PROBLEMAS DE VALORES INSTANTANEOS, MEDIOS
y RCM
Los valores instantáneo y promedio de una fuerza de origen eléctrico son
importantes en el estudio de sistemas electromecánicos. Por ejemplo, para
que se inicie el movimiento mecánico la fuerza instantánea no debe ser
nula. En forma análoga, para un movimiento continuo, la fuerza promedio
debe ser diferente de cero. La fuerza promedio se define como
(4.53)
donde T es un lapso conveniente y F inst es la fuerza instantánea.
De la definición de fuerza promedio surge una nueva interpretación
de valor rcm (valor raíz cuadrático medio o eficaz), que se ilustra en las
siguientes ecuaciones.
Para un sistema inductivo excitado con corriente, la fuerza instantánea es
(4.54)
174 Sistemas electromecánicos
donde la corriente i puede tener cualquier forma de onda. La fuerza promedio será, de (4.53) y (4.54),
_ 1
Ji',rom-
aL
2' ax
1 (T' 2
T Jo 1 dt
(4.55)
Si al sistema lo excita una corriente directa [c.c., la fuerza promedio es
F'
prom
=
1.2 aL
[2
ax C.c.
(4.56)
El valor de la corriente directa que produce la misma fuerza promedio es,
por lo tanto, de (4.55) Y (4.56),
[ =(.1 Jo
c.c.
T
(T¡2dt){
(4.57)
Nótese que (4.57) coincide con la definición de valor rcm o eficaz. Así,
con el objeto de que se ejerza la misma fuerza promedio para ambos tipos
de excitación: c.c. y c.a., es necesario que el valor rcm o eficaz de la corriente alterna sea lineal a la magnitud de la corriente directa.
En resumen, en este capítulo se han estudiado los principios fundamentales que gobiernan al proceso de conversión de energía electromecánica. Se aplicaron estos principios al estudio de la dinámica de diversos
sistemas electromecánicos.
Problemas
4.1 El sistema electromecánico de excitación única que se muestra en la figura 4.17
está restringido a desplazarse sólo horizontalmente. Las dimensiones pertinentes
se muestran en el diagrama. Determinar la fuerza eléctrica ejercida sobre el
miembro móvil de hierro para
a) excitación con corriente
¡ = 1 coswt
b) excitación con voltaje
v= Vcoswt
En ambos casos, no considerar la resistencia de devanado, los campos de fuga ni
los efectos de borde. Se supondrá que toda la energía se almacena en los entrehierros de aire; es decir, que la permeabilidad del hierro es muy grande comparada
con la del espacio libre. ¿Qué modificaciones habría que hacer si no se despreciara la resistencia de devanado?
Problemas de valores instantáneos, medios y RCM 175
w X w Sección transversal
R
+
Dirección
posible de movimiento
v
fl,
/
Núcleo
fijo
x
,
Elemento
móvil
FIGURA 4.17 Problema 4.1
4.2 Una estructura electromagnética se caracteriza por las siguientes inductancias
dependientes de 8:
LII
=2+cos28=L22
L 12 = 1 +O.5cos8= L 21
Supóngase nula la resistencia de devanado. Encontrar el par (en función de 8)
cuando ambos devanados estén conectados a la misma fuente, de tal manera que
VI = V2 = 155 sen 377 t.
4.3 El sistema mostrado en la figura 4.18 tiene dos bobinas, con autoinducciones
L 11 Y L 22 e inductancia mutua L 12. La bobina 1 lleva una corriente i 1 = 1 1 sen
l1
. . . -_ _ _----, ___x
I
I
I
;,
No, 1
o--L~"-1>\
0-'-;'2_-+----+-)2
No,2
L 22
FIGURA 4.18 Problema 4.3
I
I
I
I
176 Sistemas electromecánicos
WI t Y la 2 una i 2 = 12 sen W2 t. Las inductancias son LII = kl/x, L 22 = k2/X y
L I2 = k3/~ siendo k¡, k 2 Y k3 constantes. Establecer una expresión para la
fuerza instantánea en la armadura: Dar una expresión (en forma integral) para la
fuerza promedio. Encontrar una relación entre W1 Y W2 para i) fuerza promedio
máxima y ii) fuerza promedio mínima. Determinar los valores máximo, mínimo
e intermedio de la fuerza promedio.
4.4 Un sistema mecánico está constituido por un resorte, masa y amortiguamiento,
como se muestra en la figura 4.19. Seleccionar un sistema de coordenadas adecuado y establecer las ecuaciones de movimiento en base a las leyes de Newton.
Obtener su circuito eléctrico equivalente usando
a) La analogía fuerza-voltaje
b) La analogía fuerza-corrien te
FIGURA 4.19 Problema 4.4
4.5 Los datos siguientes corresponden al sistema de la figura 4.20: rl, r2 = resistencias de los dos devanados; i 1, i2 = corrientes especificadas; ni, n2 número de
vueltas; /10 = permeabilidad del espacio libre; A = área de la sección transversal
del vástago central y de los de los extremos; M = masa de la armadura; k = constante del resorte b = coeficiente de rozamiento y lo = longitud del resorte cuando
i = O. Suponer que toda la energía se almacena en el entrehierro de aire.
Si i 1 = lc.c. e i 2 = 1m sen t, escribir
a)
A
o+
;,
"
.A/lllt
?
,
v
;2
J
r2
JVvv
v2
r
n2
n,
A
v
I
-
Armadura móvil. ¡;. = =
Masa
Núcleo
fino ¡;. = =
A
J
Wff//,iff~Coeficiente de rozamiento
FIGURA 4.20 Problema 4.5
=b
Problemas de valores instantáneos, medios y RCM 177
i) Las ecuaciones eléctricas de movimiento en notación matricial.
ii) La ecuación mecánica de movimiento.
iii) Si las ecuaciones anteriores son no lineales, identificar los términos no li-
neales.
b) Si i 1 = le.c. e i 2 = O obtener el punto de operación estable y linealizar la ecua-
ción alrededor de este punto.
4.6 Dos bobinas tienen sus autoinductancias e inductancia mutua (en Henries) como
funciones del desplazamiento x (en metros) de la manera siguiente:
2
L¡¡=L22=3+ 3x;
Las resistencias son insignificantes. Ambas bobinas están excitadas por la misma
fuente de voltaje VI = V2 = V = 100 cos 50 t volts.
a) Encontrar una expresión para la fuerza eléctrica (esto es, la fuerza de origen
eléctrico ).
b) Calcular el valor promedio en el tiempo de la fuerza en x = 1.
e) ¿Tiende la fuerza a incrementar o reducir a x?
4.7 En la figura 4.21 se muestra un sistema electromecánico. La estructura del núcleo es cilíndrica. En la misma figura se indica el resto de datos. La bobina tiene
una resistencia insignificante y un voltaje ven sus terminales.
a) Establecer las ecuaciones generales de movimiento eléctrica y mecánica.
b) Dados a = 1 cm; lo = 5 cm; I1 = 4 cm; w = 0.1 cm y N = 100 vueltas, calcular
la inductancia de la bobina para x = loe) Con los datos de b), determinar la fuerza en la tara para x = 2 cm e i = 2 A c.C.
N - vueltas r-l--+-_;...-----o+
v
Radio
=a
Cojinete
cil índrico no
magnético
FIGURA 4.21 Problema 4.7
178 Sistemas electromecá~icos
4.8 En un electroimán la relación i -A es
donde x es cierto entrehierro de aire arbitrario. Si A es la variable independiente,
a) encontrar una expresión para la fuerza electromagnética en x = 0.5 Y en x = 1.
b) ¿Se modifica la fuerza con x? Explicar.
4.9 El electroimán del Probl. 48 se excita con corriente continua de 3 A en una bobina de N vueltas. Si se requiere que el imán desarrolle una fuerza de 12 Nw en
x = 1.0 cm, calcular N.
4.10 Para el sistema electromecánico de la figura 4.22, obtener una expresión para la
fuerza eléctrica que se desarrolla. Establecer todas las hipótesis de simplificación
que se hagan para esa obtención. Escribir las ecuaciones de movimiento eléctrica
y mecánica. Encontrar la posición de equilibrio. ¿Cuál es la dirección de la fuerza eléctrica? Supóngase en seguida que se elimina el resorte y que no se toma en
cuenta la fricción. Se aplica una fuerza externa para jalar al émbolo una distancia d. Determinar el cambio en la energía almacenada en el campo de acoplamiento. De haber un cambio en la energía almacenada ¿a dónde pasaría? O bien
¿de dónde provendría, según el caso?
Sección transversal del núcleo w X w
J.I.:::::OO
+
Cojinete no magnético
---;--1' = 1'0' Coeficiente
de rozamiento b
N = Vueltas
v
I
~x
x =O
FIGURA 4.22 Problema 4.10
4.11 La sección transversal del circuito magnético de la figura 4.23 es a. La tapa corrediza soporta una fuerza de amortiguamiento viscoso F frie = bx que se opone a
su movimiento y que actúa en el soporte. La posición de x igual a Xo se obtiene
sin excitación eléctrica. Con un v = Vm cos cot y sin tomar en cuenta la resistencia de devanado, determinar 10 que sigue, en términos de los símbolos dados:
a) La fúerza magnética que actúa sobre la tapa corrediza
Problemas de valores instantáneos, medios y RCM 179
r
x
r---------------~
N
Circuito magnético
+
v
FIGURA 4.23 Problema 4.11
La distancia x en función del tiempo en estado estacionario, así como la validez de esta expresión.
e) La potencia promedio suministrada por la fuente de voltaje si el material magnético carece de pérdidas.
b)
4.12 Para el sistema mostrado en la figura 4.9, con los parámetros definidos en el texto, (Sec. 4.5.5), determinar la variación de flujo en función del tiempo para una
corriente de entrada de 2 A.
Capítulo 5
La máquina
con conmutador
para C.C.
En este capítulo se introduce un grupo de dispositivos electromagnéticos rotatorios: la máquina con conmutador para c.c. Al analizar este tipo
de máquinas se emplearán muchos de los principios que se utilizaron en
capítulos anteriores, en especial los conceptos de circuito magnético del capítulo 2 y las relaciones de fuerzas vistas en el capítulo 4. El material que
se estudia en este capítulo generalmente se conoce sólo como "máquinas
de c.c,". Se ha utilizado la palabra conmutador por varias razones. En primer lugar, el conmutador es la característica distintiva de los dispositivos
que se discuten aquí. Sin él, estas máquinas no se diferenciarían de muchos
otros tipos de máquinas. El conmutador es un rectificador/inversor mecánico que posibilita la conexión con una fuente de c.c. y, durate el proceso,
otorga a esta configuración de máquina algunas de las más útiles características, como motor, generador y un dispositivo de control.
En segundo lugar, el conmutador no es el tipo único de máquina de
c.c. De hecho, no es del todo verdaderamente una máquina de c.c., si por
"c.c." se entiende un dispositivo cuyas corrientes y voltajes son unidireccionales bajo una condición dada de velocidad y par. Los lectores con tendencia a la electrónica objetarán probablemente la inclusión de un rectificador/
inversor "mecánico" como parte de un dispositivo que se usa tan a menudo en sistemas electrónicos y de control, y preguntará: ¿por qué no realizar
la función de rectificación/inversión con un dispositivo de estado sólido?
Tales dispositivos son bastante conocidos actualmente y se les conoce como máquinas de c.c. sin escobillas. Si aún se tiene curiosidad por saber
qué es la verdadera máquina de c.c., se debe tener presente que se trata de
un dispositivo conocido como máquina homopolar, derivado del generador
de disco de Faraday, desarrollado por Michael Faraday' en los años 30 del
181
182 La máquina con conmutador para
e.e.
siglo pasado. En varias aplicaciones aeroespaciales se ha usado una versión
en metal líquido de esta configuración. Por consiguiente, se utiliza aquí la
denominación "máquinas con conmutador para c.c." con el objeto de tipificar una configuración específica de máquinas de c.c.
El término c.c. se emplea para describir esta clase genérica de máquinas
e indicar que están energizadas convencionalmente por una fuente de energía eléctrica en c.c. Hay varios tipos de máquinas con conmutadores que
operan normalmente con fuente de c.a.: incluyen motores de repulsión y
máquinas polifásicas con conmutador. Estas últimas se usan en Europa para
aplicaciones que en los EE.UU. utilizan máquinas con conmutador en c.c.
Para finalizar, debe mencionarse que existe un tipo muy común de motor
con conmutador en C.C., conocido como motor universal, que opera con
fuentes de baja frecuencia en c.a.
La máquina con conmutador de c.c. es un dispositivo rotatorio muy
versátil y se construye en un rango amplio de dimensiones, desde dispositivos de control muy pequeños para potencias nominales del orden de 1 W
hasta motores de grl\ndes dimensiones para potencias de 10,000 c.f. (HP)
o mayores, para aplicaciones en molinos de laminado. Su uso principal es
actualmente como motores industriales de impulsión, especialmente donde se requiere un par de gran magnitud controlado con toda precisión.
Motores de este tipo de emplean en molinos de laminación para acero y
alumnio, en motores de tracción, en grúas de construcción y móviles, trenes eléctricos, vehículos eléctricos y C~,J.TOS para golf. Las máquinas con
conmutador se usan en herramientas p,)rtátiles alimentadas con baterías,
en vehículos automotrices en calidad (le motores de arranque, en motores
para ventiladores y en muchas aplicaciones de control, como activado res
y dispositivos sensores de velocidad o de posición.
Casi no existen usos modernos de máquinas con conmutador como
generadores de potencia, aunque en las etapas iniciales de distribución de
potencia electrica el sistema de tres hilos de Edison y el generador con
conmutador de c.c. fueron los medios principales para suministrar energía
eléctrica a usuarios domésticos e industriales. Aún quedan vestigios de estos sistemas en las zonas céntricas de las grandes ciudades. Sin embargo,
debe notarse que la máquina con conmutador en c.c. es un dispositivo bilateral y que muchos motores con conmutador de c.c. operan a menudo
como generadores en modo "regenerativo" o de "frenado dinámico", especialmente en aplicaciones de tracción.
5.1 DESCRIPCION DE UNA MAQUINA CON CONMUTADOR EN C.C.
Las figuras 5.1 a 5.4 muestran ejemplos de este tipo de máquinas. Físicamente, constan de un miembro rotatorio, llamado rotor o armadura, y de
uno estacionario, denominado estator. Existen dos tipos de geometría comunes a todas las clases de máquinas rotarorias y que se designan por la
Descripción de una máquina con conmutador en C. C. 183
FIGURA 5.1 Vista en corte de un motor de 4 000 Hp Y 700 V (Cortesía de
General Electric Company).
2) l.o,poltestllrminelesNdlman·
sloneron par. co08xl6o rápida y
Motores de tracción
"JB" General Electric
6) LOI Illteme, de ¡)o'ta'allCobtlIas M optimizan para condlero·
.. .ligeros _ de larga vida
• funcionamiento versátil
n"d8valocldad,corrlente,voltaja
y C81'111, proPorcionando unS SUI-
tltllclón,Implade81CObllluyuna
Mavo,eXllectatlvadevldeutll.
• #<
1) Coraza de aca,o magne'
tleo P8,a al marCO del mo'
tor,8copladoconunoKtre"
mo corrugado da unapiua.
Las tapas s& maqulnaron
contenu,a.pareasegu,.'
una alln&aclon eKscta V pro'
porclona, soporte. dgldol
pa.alolcojlnel.l.
5)!.olconmutedor8s.conconl"true·
ción de "10rduu
da a,o y acoplados
con cobre plataado y mica "premlum"
..I.cclo·
nada, <;ontrlbuvan
a fo,""a. una unl·
dad de conmuta<;i6n estable Y só·
4) LOj <;ojlnetelde bo·
le,<;ongran<;ap8<;lded
daampujeradlelyexlal,
son prelubrlcedos pe,e
oparer durenteunel/lde
prolongada $In n&cell·
dedde engrne.
3) Le armadura V hll bobina. de
<;ampo se caracterizan por SUI<;on·
du<;toras de tipo barra,ailladOI
<;on matarlales cuidadosamente
sale<;clonado. Y probados para
asegura, una l/Ida de motor
larga y <;onfiable.
FIGURA 5.2 Motor con conmutador en c.c. para aplicaciones de tracción
(Cortesía de General Electric Company).
184 La máquina con conmutador para
ee
FIGURA 5.3 Generadores y motores de control típicos (Cortesía Servo·Tek
Products Company).
coordenada dimensional del entrehierro; a saber, la de entrehierro radial-la
más común- y la de entrehierro, asociada frecuentemente con lo que se conoce como "motores de disco". El elemento rotatorio del primer tipo tiene
por lo general forma cilíndrica y se ajusta dentro del estator, que es un cilindro hueco o de forma anular, concéntrico con el rotor. El entrehierro es
Descripción de una máquina con conmutador en C. C. 185
el espacio radial, medido sobre un radio con origen en el eje de rotación del
rotor, entre el diámetro exterior del rotor y el interior del estator. En el
otro tipo, las formas del rotor y estator difieren y el entrehierro es la distancia paralela al eje de los discos concéntricos entre dos superficies
adyacentes de éstos.
La teoría y análisis desarrollados en este texto son válidos para ambas
geometrías. No obstante, cuando sea menester incluir alguna de ellas en la
formulación de una ecuación, se hará en términos de la más común (la
geometría radial). En cualquier geometría se dispone de un sistema de cojinetes y lubricación para sostener al rotor y permitir su rotación con un
mínimo de pérdidas por rozamiento y excentricidad mínima. Los cojinetes
se sostienen o se fijan a la coraza, que es la porción estructural exterior del
estator. La configuración de coraza varía con el tipo de sistema de ventilación usado para enfriar la máquina y con los medios utilizados para evitar
que penetren polvos u otras partículas extrañas a la máquina. Las máquinas
pequeñas a menudo se sellan herméticamente y el calor que se produce en
su interior se transfiere a la superficie exterior de la máquina sólo por conducción. En las fotografías de las figuras 5.1 a 5.4 pueden observarse algunas de estas características estructurales.
FIGURA 5.4 Cuerpo de rotor de un motor de 3 500 HP, 220 V, 40/80 rpmun medio con estampados (Cortesía Brown Boveri Company).
186 La máquina con conmutador para
ce
FIGURA 5.5 Armadura en corriente directa con conmutador doble para un
generador de 2 000 kW, 450 rpm (Cortesía Brown Boveri Company).
Desde un punto. de vista electro.magnético., la máquina co.n co.nmutado.r de c.c. está fo.rmada po.r des o. más fuentes de excitación magnética,
aco.pladas magnéticamente mediante un circuito. magnético.. Les des sistemas principales de excitación sen el campo. o. sistema excitado.r, que puede ser un devanado. eléctrico. o. un imán permanente que se ubica en el
estato.r y el devanado. de armadura lo.calizado. en el ro.to.r (figura 5.5.). De
este medo., la máquina en cuestión es una máquina do.blemente excitada.
El circuito. magnético. co.nsiste del material magnético. dúctil o. imanes permanentes) y del yugo., que fo.rma parte frecuentemente de la co.raza de la
máquina. Resultan fuentes adicio.nales de excitación po.r el uso. de interpeles y devanado.s de co.mpensación (figura 5.6) que se describirán después
en relación co.n pro.blemas de co.nmutación.
Obviamente, la función de sistema de campo. co.nsiste en suministrar
energía para establecer un campo. magnético. en el circuito. magnético.. El
uso. de un devanado. eléctrico. de campo. (figura 5.7) pro.po.rcio.na la gran diversidad y variedad de características de o.peración que caracterizan a las
máquinas de co.nmutador de c.c. La excitación po.r imán permanente del
8istema de campo. es casi siempre menos Co.sto.sa y o.cupa meno.r espacio.
que la excitación eléctrica, y elimina la necesidad de una fuente de energía
eléctrica separada.
Descripción de una máquina con conmutador en C. C. 187
Al devanado de armadura se le conoce a menudo como devanado de
potencia de la máquina de conmutador de c.c, pues el par electromagnético de la máquina es función de la corriente de devanado de armadura y las
terminales de este devanado se conectan a la fuente de potencia exterior a
través del sistema conmutador/escobilla. Como se habrá notado, este sistema sirve de conexión eléctrica. El sistema opera como un dispositivo de
conmutación mecánico entre el circuito de armadura externo y los devanados de armadura dentro de la máquina, donde las corrientes y voltaje inducidos están variando en el tiempo con polaridades inversas. Como dispositivo
bilateral, el sistema conmutador/escobilla es en cierta manera análogo a la
acción de una pareja antiparalela de rectificadores.
El rotor o armadura de una máquina con conmutador de c.c. con entrehierro de aire radial tiene forma cilíndrica y se monta en una flecha sostenida por los cojinetes (figura 5.5). Uno o ambos extremos de la flecha
sobresalen de la coraza de la máquina. Esta es la "terminal" de entrada/salida de la máquina, y puede acoplarse mecánicamente al dispositivo de carga o fuente de energía mecánica, dependiendo de que la máquina funciona
como motor o generador. En muchas máquinas, la parte "activa" del rotor,
esto es, la porción que sirve como conductor magnético en el circuito rragnético, es un cilindro hueco de material magnético dúctil, apoyado e 1 la
flecha mediante un miembro puramente estructural conocido como a 'aña
o cangrejo. Esta forma de construcción se utiliza para reducir el peso en
relación a la que usara un cilindro sólido.
Sobre la superficie del rotor se tienen numerosas ranuras axiales y paralelas, por lo general uniformemente espaciadas alrededor de la circunferencia del rotor, en las que se ubican las bobinas de armadura que constituyen el devanado de armadura. En máquinas mayores, se preforman estas
bobinas y se disponen en las ranuras según reglas de devanado, que se verán
en la sección 5.2. Se usan varios tipos de aislamiento eléctrico para aislar
las bobinas de las superficies conductores de las ranuras de acero, dependiendo de los voltajes desarrollados en las bobinas, del tipo de enfriamiento
o técnica para la transferencia de calor utilizada para eliminar el calor de
las bobinas y del sitio donde vayan a funcionar las bobinas.
Para proporcionar soporte mecánico, protección contra raspaduras
y para tener un aislamiento eléctrico adicional, a menudo se insertan forros no conductores entre las bobinas y las paredes de ranuras. Se denominan "dientes" a los materiales magnéticos entre ranuras. En la figura 5.8 se
muestran algunos esquemas de sección transversal de la geometría de ranura/diente común. La sección transversal de la ranura o muesca, aunque
pueda verse como un detalle trivial de diseño, tiene una gran influencia sobre la característica de operación final de la máquina y afecta a factores
como la inductancia de armadura, saturación del diente, pérdidas por corrientes de torbellino inducidas en los polos del estator, así como al costo
y complejidad del devanado de bobinas en las ranuras.
188 La máquina con conmutador para
e. e.
FIGURA 5.6 Estator de un motor de 1 030 kW mostrando las barras como
pensadoras y los interpolo s (Cortesía Brown Boveri Company).
Descripción de una máquina con conmutador en
e.e.
146860
Brown Bovet.í
FIGURA 5.7 Polo magnético de un motor de 2550 kW en c.c. para laminadoras (Cortesía de Brown Boveri Company).
189
190 La máquina con conmutador para e.e.
lIU
FIGURA 5.8 Armadura típica de la geometría de ranuras.
El diseño mecánico y estructural de las máquinas rotatorias es un tema
desafiante por sí mismo y es un área que cambia continuamente con la disponibilidad de materiales magnéticos, eléctricos y aislantes perfeccionados,
con el uso de técnicas de transferencia de calor más elaboradas y con el
desarrollo de nuevos procesos de manufactura. La referencia proporciona
un buen tratamiento de muchos de los aspectos estructurales más detallados de las máquinas rotatorias de c.a. y c.c. Sin embargo, para los propósitos de este libro interesa más el desarrollo de los principios electromagnéticos que hacen que trabajen las máquinas.
5.2 DEVANADOS DE ARMADURA
Muchos tipos de devanados de armadura se han usado en máquinas con
conmutador de c.c., siendo la primera configuración la llamada tipo anillo
de Gramme, que se devanaba en rotores de forma toroidal. En las máquinas actuales de entrehierro de aire radial, la mayoría de los devanados de
armadura son del tipo imbricado o del tipo ondulado. Los rotores pequeños se devanan a máquina por lo general haciendo girar el eje del rotor de
extremo a extremo, mientras se introduce alambre a las ranuras una vuelta
por vez. En rotores de mayores dimensiones, el devanado se compone de
bobinas preformadas que se ubican en las ranuras (figura 5.5). Las referencias 1 y 2 dan descripciones más detalladas sobre devanado de máquina.
Un devanado de armadura es un devanado continuo, es decir, no tiene principio o fin. Se forma por un cierto número de bobinas en serie, uno
de cuyos extremos se conecta eléctricamente a una barra de conmutador.
Una bobina puede estar formada por una vuelta o bucle de alambre, o por
una cierta cantidad de vueltas en serie (figura 5.9). Sólo el principio de la
primera vuelta y el final de la última de una serie de vueltas que constituyen la bobina se conectan a las barras de conmutador. La forma en que
los extremos de la bobina se conectan a las barras de conmutador determina si el devanado es imbricado u ondulado.
Las apariencias de bobina de los dos tipos de devanados son generalmente iguales y no es posible determinar el tipo de devanado por inspec-
Devanados de armadura 191
FIGURA 5.9 Bobina ondulada de vueltas múltiples.
ció n visual de la armadura devanada por completo y del conmutador. En
las figuras 5.10 y 5.11 se ilustran las diferencias entre los dos tipos. Para entender estos diagramas de devanado, imagínese que se practicó un "corte"
axial en la superficie del rotor y del conmutador y que las dos superficies
cilíndricas se extendieron llanamente. Las superficies resultantes aparecerían como se ven en las figuras 5.10 y 5.11, si por el momento se ignorara
el hecho de que otro conjunto de líneas axiales debería aparecer en estos
diagramas para indicar los lados de ranura. El término imbricado resulta
del hecho de que como el devanado avanza alrededor del rotor, el extremo
de la bobina se traslapa posteriormente sobre sí mismo y se conecta a la
barra de conmutador adyacente a la barra a la cual se conectó el principio
de la bobina. El origen del término ondulado es más oscuro, salvo que
cuando el devanado se traza como en la figura 5.11 se tiene un patrón general de onda.
'
Los dos lados de una bobina se colocan generalmente en ranuras que
están separadas por un paso polar. El paso polar es un medio de establecer
la distancia entre los centros de los polos de campo y puede expresarse en
unidades de ranura (número total de ranuras dividido entre el número total
de polos) o en grados:
360
a=--
p
(5.1 )
donde p = número de polos. Un devanado en el que los lados de bobina
estén separados por un paso polar se denomina devanado de paso completo. Por varias razones, a veces es conveniente tener los lados de bobina separados en menos de un paso polar. Un devanado de este tipo se conoce
como devanado de paso corto o fraccionario. Esta práctica es mucho más
r-----...,
r-
r
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
L __ _
L
I
I
I
I
¡pala
I
I
I
IL_____ ..JI
I
I
Escobilla
¡..¡---v------,..¡
Terminales
de armadura
FIGURA 5.10 Esquema parcial de una armadura con embobinado imbricado.
~N
b
e
d
~
l·
S
~IE
N
e
-,
r
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
L
L_
r
¡
I
I
I
I
I
I
I
I
I
.J
L
I
I
¡Pala
I
I
a
I-E----V--~
Terminales
de armadura
FIGURA 5.11 Esquema parcial de un devanado ondulado de armadura.
Devanados de armadura 193
FIGURA 5.12 Esquema devanado de circuito impreso para un motor tipo disco (Cortesía de PMI Motors, Division of Kollmorgen Corporation).
común en devanados de estator de máquinas de c.a. que en devanados de
armadura de c.c.
Las conexiones externas a los devanados de armadura se hacen a través de escobillas que descansan en el conmutador y que se mantienen en
posiciones fijas al girar el conmutador y el rotor. Las posiciones de escobilla se localizan en forma semejante separadas por un paso polar. En un devanado imbricado se requiere un número de posiciones de escobilla igual al
número de polos. La mitad de las posiciones están en polaridad positiva y
la otra mitad en negativa, quedando los grupos positivo y negativo en paralelo a través de conexiones eléctricas externas.
194 La máquina con conmutador para e.e.
Con un devanado ondulado sólo se requiere dos posiciones de escobilla (una positiva y otra negativa), aunque a menudo se usan más posiciones para reducir la densidad de corriente en las escobillas. La diferencia
principal entre los dos devanados, en lo que concierne a la operación eléctrica de la máquina, radica en el número de trayectorias eléctricas en paralelo
a través del devanado entre las terminales positiva y negativa de la armadura. Si se designa con a el número de trayectorias en paralelo entre las terminales de devanado de armadura, se tendrá
para devanado imbricado a
para devanado ondulado a
=p
=
2
(5.2)
En uno de los problemas de la parte final de este capítulo el lector puede
verificar esta conclusión. Dado que el devanado imbricado proporciona más
trayectorias en paralelo en el devanado de armadura que el ondulado para
todas las máquinas excepto para la de dos polos, el primero es generalmente más adecuado para aplicaciones en bajo voltaje y corriente elevada,
mientras que el segundo se usa con más frecuencia en las de alto voltaje. En
la figura 5.12 se muestra una forma común de devanado en una máquina
de entrehierro de aire axial.
5.3 VOLTAJE DE ARMADURA
En esta sección se establecerán expresiones para el voltaje inducido en el
devanado de armadura cuando ésta gira en un campo magnético producido por los polos del estator. Hay varias formas posibles en las que puede
expresarse este voltaje, en términos de autoinductancias e inductancias
mutuas, como se vio en la sección 4.7. En el análisis de máquinas con
conmutador en c.c. ha sido costumbre establecer expresiones para voltaje
de armadura en términos de flujo de campo, más que en términos de inductancias propias y mutuas como en la sección 4.7 citada. Este énfasis relaciona el voltaje de armadura con las dimensiones físicas del sistema de
campo. Puesto que una gran cantidad de máquinas con conmutador en c.c.
se excitan con imanes permanentes y no con devanados eléctricos, resulta
casi imposible usar expresiones de inductancia en los cálculos de operación
de máquina.
Se usará aquí entonces el método convencional en términos de flujo
magnético y se observará que esta componente puede calcularse de una
manera directa y relacionarse con las dimensiones físicas de los polos de
campo y con el devanado eléctrico mediante los principios expuestos en
el capítulo 2. Al resolver un problema referente a máquinas rotatorias,
deben tenerse presentes las líneas directrices generales para seleccionar el
modelo apropiado, según se vio en la sección 4.5.
Voltaje de armadura 195
Se utilizará una forma sumamente simple de máquina de c.c. para el
siguiente desarrollo (ver figura 5.13) que corresponde a una vista de la sección transversal de una máquina sencilla de dos polos). Se muestran las dos
secciones transversales de conductores, que son los lados de una bobina de
una sola vuelta. El eje de referencia para la posición E>m de bobina es el eje
vertical. Si rpp es el flujo total que emana de un polo, supuesto perfectamente horizontal, el flujo que eslabona con la bobina, en función de la posición de bobina (rotor), es
(5.3)
Si el rotor gira con una velocidad angular w m rad/seg, la posición en
función del tiempo será
(5.4)
De la ley de Faraday, para una bobina de una sola vuelta el voltaje inducido en ella es
(5.5)
Si hubiera p polos en el estator en lugar de los dos mostrados en la
figura 5.13 la frecuencia del voÍtaje inducido en la bobina se incrementaría p /2 veces, precisamente como si la velocidad de rotación se hubiese
incrementado en p/2. Es posible redefinir el ángulo E>m mostrado en la
figura 5.13 como un ángulo "eléctrico" equivalente:
(5.6)
N
--~"<Pp
s
FIGURA 5.13 Sección transversal axial simplificada de una máquina de dos
polos, en la que se muestra sólo una bobina de armadura.
196 La máquina con conmutador para
e.e.
A las unidades de este ángulo eléctrico se les llama con frecuencia
radianes eléctricos o grados eléctricos, y se relacionan con el ángulo mecánico verdadero mediante el número de pares de polos p/2. Al sustituir
E>m por E>e en el análisis anterior, se encuentra la siguiente expresión
para el voltaje inducido en la bobina de armadura
(5.7)
Para N vueltas en serie, (5.6) se tiene
p
p
e= N'"
-w sen-w
't'p 2 m
2 mt
(5.8)
El voltaje que aparece en las terminales de la armadura es el promedio de
media onda del valor máximo del voltaje instantáneo, en virtud de la acción del conmutador:
P ) = ---'--Nprppwm
E= -P 12'lT/P e d(w t)= -2 ( <p N-w
2'1T o
m
'1T
P
2 m
'1T
(5.9)
Es costumbre en la práctica con máquinas con conmutador en c.c. expresar las vueltas en serie en términos de Z, "(jonductores", (lados de bobina)
y de a trayectorias paralelo:
'}
N=-2a
(5.10)
Introduciendo esta N en (5.9), se tiene
(5.11 )
donde ka = Zp /2rra, llamada a menudo constante de armadura.
Las expresiones anteriores dan el voltaje inducido de armadura en
función de la velocidad del rotor, del flujo magnético por polo de campo
y de la configuración del devanado. Este voltaje es completamente independiente de que la máquina opere como motor o generador; esto es, no
depende de la dirección del flujo de corriente en la armadura. En operación de motor, a este voltaje se le llama frecuentemente" fuerza contraelectromotriz". La ecuación (5.11) se conoce generalmente como ecuación
de fem.
5.3.1. Una derivación alternativa
La ecuación de fem también se puede derivar, quiz.á en forma más sencilla,
si se considera sólo un conductor de la figura 5.13. Este conductor gira en
Voltaje de armadura 197
el sistema de campo de tal suerte que el flujo total, </>, cortado por el conductor en n revoluciones se determina como
(5.12)
Así, el flujo "cortado" en la unidad de tiempo que da el voltaje inducido
en el conductor es simplemente
(5.13)
donde n = velocidad en r.p.m. Finalmente, el voltaje total inducido en el
devanado puede expresarse como
(5.14)
donde los símbolos han sido definidos con anterioridad.
La representación gráfica de (5.11) es una de la herramientas principales para el análisis de máquinas con conmutador en c.c. excitadas eléctricamente y se le conoce como curva de magnetización o de excitación. Se
obtiene impulsando a la máquina en una velocidad mecánica constante W m
y variando la corriente de campo (la que modifica a </>p) midiéndose entretanto al voltaje inducido E en las terminales de armadura en circuito abierto. En la figura 5.14 se muestran curvas de magnetización típicas para dos
velocidades mecánicas diferentes. Este procedimiento experimental se denomina prueba "sin carga" y se describe en la sección 5.10.
Si se conocen ciertas dimensiones físicas de la máquina, tales como la
longitud del entrehierro de aire y el área de la cara de polo, pueden convertirse las unidades de las ordenadas de la figura 5.14 en unidades de By
H Y las curvas de magnetización de la máquina se expresan frecuentemente
en estas unidades, así como en unidades de </>p ver sus Ir' Si se dispone de
instrumentos detectores de flujo adecuados tales como las pruebas de Hall
o un fluxómetro de integración, pueden medirse directamente las variables
B o </>p en el entrehierro de aire de la máquina a cero velocidad, de una manera semejante a la que se usa en cualquier otro circuito magnético. No
obstante, la medición de voltaje en circuito abierto es mucho más sencilla
que la típica de flujo o de densidad de flujo y se dispone por lo general más
fácilmente de un vóltmetro que de un instrumento para medir flujos. Por
consiguiente, la relación voltaje versus ampere vueltas (o, de manera más
precisa, corriente de campo) se usa más comúnmente para describir las características magnéticas del circuito magnético de la máquina.
La forma de la ecuación (5.11) en términos de flujo no siempre es
conveniente. Por esta razón, (5.11) se expresa frecuentemente en términos
de corriente de campo más que en términos de flujo de campo. Así,
(5.15)
198 La máquina con conmutador para
e.e.
140
120
100
g
.~
.o
.g'"
80
:l
~
()
c:
.,.,
(ij'
...
o
>
60
40
20
10
O~----~----~----~----~------~-----
500
1000
1500
2000
2500
3000
Excitación de campo (AV/polo)
FIGURA 5.14 Curva de magnetización típica de una máquina con conmutador en c.c.
La relación entre Kt de esta ecuación y la constante de armadura Ka
de (5.11) es la que existe entre el flujo magnético en el polo y la corriente
excitatriz o corriente de campo. Esta relación se analizó en el capítulo 2.
Se habrá observado que (5.11) es una ecuación lineal y que (5.15) no
lo es, en virtud de la relación no lineal entre ~p e Ir' La cantidad Kt es no lineal y varía con la pendiente de la curva de magnetización en la figura
5.14. Dado que esta característica puede obtenerse experimentalmente, la
constante Kt es relativamente fácil de obtener en comparación con la Ka
de la ecuación (5.11). Además, muchas máquinas, especialmente las de
control, se operan en la región lineal de la curva de magnetización y, en
tales casos, pueden ignorarse las no linealidades de la ecuación (5.15).
5.4 PAR ELECTROMAGNETICO
Se regresará brevemente a la semántica y se examinarán las dos palabras que
constituyen el título de esta sección, pues estos términos aparecerán con
Par electromagnético 199
frecuencia al estudiar máquinas rotatorias. La primera de ellas, par, probablemente le sea familiar al lector y pueda invocar ya una imagen física. El
par, a menudo llamado momento, es el producto de una fuerza por un brazo de palanca. Algunas veces se representa como un vector:
T=rxF
(5.16)
donde F representa la fuerza y r el brazo de palanca o radio alrededor de un
eje de rotación, con dirección hacia afuera del eje de rotación.
El aspecto de interés en la ecuación (5.16) es la dirección asociada con
el par. En máquinas rotatorias electromagnéticas, r es generalmente el radio
del elemento rotatorio de la máquina: el rotor, y F es la fuerza que actúa
sobre un conductor portador de corriente en la superficie del rotor o cerca
de ella. En maquinas con conmutador en c.c. y en otras muchas clases de
máquinas rotatorias, estos dos vectores son ortogonales. Del álgebra de
vectores para el producto cruz de la ecuación (5.16) se ve que esta situación
se traduce en una dirección para el vector par a lo largo del eje de rotación,
esto es, paralela a Ja flecha de la máquina. Se observa que hay sólo dos posibles direcciones para las dos paralelas al eje de rotación. Se destaca este
punto, aunque sea obvio, ya que es un error común asociar la dirección
del par T con la de la fuerza F.
Al par se le trata más comúnmente como una cantidad escalar. Sus
unidades son las de trabajo o energía, como puede verse en la ecuación
(5.16). En unidades del SI, las unidades de par son newton-m yen unidades inglesas libra-pie. Resulta más fácil establecer el par electromagnético a
partir de variaciones en la energía magnética almacenada tratándolo como
magnitud escalar, como se describió en el ejemplo 4.2.
La segunda palabra del título de esta sección, electromagnético, implica una interacción entre los campos eléctrico y magnético, que es el núcleo del proceso de conversión de energía en las máquinas rotatorias. La
ecuación 5.8 de este capítulo y la ecuación (4.15) del 4 ilustran bastante
bien lo anterior. Estas ecuaciones describen el mecanismo mediante el cual
la energía eléctrica se convierte en mecánica y viceversa, tanto en motores
como en generadores.
Este proceso de conversión de energía, a pesar de ser la "raison d'etre"
fundamental de las máquinas rotatorias, se describe por una relación sumamente sencilla:
(5.17)
donde T d es el par desarrollado electromagnéticamente e la es la corriente
de armadura. Aquí, la nomenclatura es la usada para las máquinas con conmutador en C.C., aunque el significado de ambos miembros de la ecuación
(5.17) se extiende a cualquier tipo de máquina rotatoria. El primer miembro de esta ecuación representa potencia eléctrica y el segundo potencia
200 La máquina con conmutador para
e. e.
mecánica. Obsérvese que dicha ecuación es bilateral y describe la acción de
motor o de generador.
La ecuación (5.17) proporciona un medio sencillo para establecer una
expresión para el par electromagnéticamente desarrollado en una máquina
con conmutador en c.c. Resolviendo para T d y sustituyendo E de la ecuación (5.11), se obtiene
N-m
(5.18)
La expresión anterior puede aún dejar en el ánimo del lector la impresión de que el par es una cantidad más bien oscura, con poco significado físico. Por lo tanto se establecerá la ecuación la (5.18) a partir de (5.16),
lo que dará oportunidad de introducir la fuerza de Lorentz (2.4). En primer lugar, el lector debe observar que las condiciones que conducen a la
forma de la fuerza de Lorentz, expresada por la ecuación (2.6), son aplicables a las máquinas con conmutador en c.c. Sustituyendo esta ecuación en
la (5.16), y suponiendo una relación ortogonal entre r y F, lo que conduce a una forma escalar de (5.16), se obtiene
N-m
que es el par sobre un conductor de armadura de longitud la en un radio
r, con una corriente la' Para los conductores Z, de armadura conectados
de tal suerte de tener a trayectorias, la ecuación (5.19) se convierte en
ZBlrla
T
=d
a-
N-m
(5.20)
Si se supone que la densidad de flujo es uniforme sobre el área de armadura opuesta al polo de campo Cpp, puede expresarse el flujo por polo como
cpP =B XA P =B X (2'TTr lP )
(5.21 )
Al sustituir para B de (5.21) en (5.19), da
N-m
que concuerda con (5.18). Como en el caso de (5.11), a menudo conviene
expresar el par en términos de corriente de campo y no de flujo de campo;
así:
(5.22) 1
Máquina con conmutador en corriente continua 201
5.5. CONFIGURACIONES DE MAQUINA CON CONMUTADOR EN CORRIENTE CONTINUA
Las características de operación de una máquina con conmutador en c.c.
varían considerablemente en función del modo en que se interconecten
los circuitos de campo y armadura. Antes de describir estas conexiones,
se resumirán las tres ecuaciones principales para las máquinas con conmutador en c.c., que serán de utilidad para observar los efectos de esas interconexiones:
(5.11)
(5.18)
(5.23)
donde Ra representa la resistencia del circuito de armadura.
La última ecuación relaciona el voltaje terminal, V, de armadura
con el inducido, E. El signo del segundo miembro de esta ecuación depende de que la máquina se opere como motor o como generador; el signo positivo se usa para la operación motor. Las relaciones de velocidad para una
máquina pueden observarse sustituyendo (5.11) en (5.23) y resolviendo
para la velocidad, lo que da
wm =
(5.24)
La figura 5.15 ilustra esquemáticamente los diferentes métodos de
conexión de los circuitos de campo y armadura en las máquinas con conmutador en c.c. El símbolo circular representa sólo la porción activa del
circuito de armadura, esto es, el voltaje generado descrito por (5.11). Debe
tenerse en cuenta que existen además elementos pasivos de circuitos en el
circuito de armadura, los cuales representan la resistencia e inductancia del
devanado de armadura y de otros devanados conectados en serie con ésta
para mejorar la conmutación. Los cuadrados sobre las circunferencias del
símbolo de armadura indican que la conexión a la armadura se hace a través del sistema de conmutador por escobillas.
Hay otro aspecto de naturaleza simbólica en los circuitos mostrados
en la figura 5.15. Los circuitos de campo y armadura están trazados siempre formando ángulos de 90°. Este trazo representa la orientación real en
el espacio de los campos magnéticos producidos por estos circl~itos en una
máquina con conmutador en c.c. Debe hacerse notar que aunque se muestra el ángulo entre los dos circuitos como ángulo físico de 90° , esto representa un ángulo eléctrico de 90° en la máquina multipolar general.
202 La máquina con conmutador para
e.e.
La dirección de la flechas en las figuras 5.15d ye es también un sÍmbolo de la dirección de los campos magnéticos asociados con los dos devanados de campo. Los cuatro últimos circuitos representan únicamente dos
configuraciones de máquina: la compuesta diferencial y la compuesta acumulativa. Los circuitos en derivación-larga y en derivación-corta se muestran para indicar los dos posibles medios de conectar el devanado de campo
en derivación en una máquina compuesta. Existe sólo una diferencia despreciable entre las características de operación de máquina para los dos tipos de conexión.
A las cinco configuraciones básicas que se muestran en la figura 5.15
debe agregarse una sexta: la máquina con conmutador de c.c. excitada con
imán permanente. Esta puede considerarse como una forma de máquina
excitada separadamente, la de la figura 5.15a, con una excitación constante aunque separada, producida por un imán permanente y no por el devanado eléctricamente energizado que ahí se muestra. Cualquiera de las seis
configuraciones es capaz de operar como motor o como generador, aunque, como se hizo notar al principio de este capítulo, el modo motor es el
más común de las aplicaciones de la máquina con conmutador en c.c. en la
actualidad. La primera de las seis configuraciones, la excitada separadamente, es la más flexible, ya que es factible un control total de los circuitos
de armadura y campo, siendo también la más versátil, pues hace posible
una amplia variación de respuestas como motor o como generador.
Una configuración muy usada de máquina con conmutador en c.c. es
el motor de campo serie de la figura 5.15c, que es el motor de tracción principal en uso en la actualidad y que tiene además muchas otras aplicaciones
como motor "universal" para operación en c.c. o en c.a.
La configuración en derivación de la figura 5.15 b se usa principalmente
en aplicaciones de baja potencia y velocidad fija, donde se insertan circuitos adicionales en el circuito de campo. Esta configuración se convierte en
una variante de la de motor excitada separadamente (figura 5.15a). Como
generador, la configuración en derivación se conoce como generador autoexcitado y posee características interesantes denominadas "construcción"
de voltaje. Este fenómeno es el proceso de la armadura que suministra su
propia excitación de campo y es de utilidad en aplicaciones de generador
cuando no se dispone de fuente de excitación externa, como en haciendas
aisladas o en campamentos.
La construcción de voltaje requiere que exista algún magnetismo residual en el circuito magnético del generador para lograr que el proceso
arranque. Además, el circuito de campo debe conectarse al de armadura
de tal manera que, para la dirección dada de rotación de armadura, el voltaje de armadura genere una corriente que fluya en el circuito magnético
con una dirección específica, para que el campo magnético asociado a esta
corriete ayude al magnetismo residual. El lector puede observar el proceso
con la ayuda de la figura 5.16.
Máquina con conmutador en corriente continua 203
r--------------oA
n
Armadura
Campo
F
~-------------oA
F
(a)
(b)
(e)
(d)
(e)
-
(g)
FIGURA 5.15 Clasificación de maquinas de c.c. a) Excitada separadamente.
b) En derivación. e) En serie. d) Compuesta acumulativa. e) Compuesta diferencial. En derivación larga. g) En derivación corta.
n
204 La máquina con conmutador para
e. e.
La curva de magnetización para una máquina típica se muestra con
una "línea de resistencia de campo", que no es otra cosa que la gráfica de
voltaje versus corriente para la resistencia del circuito de campo del generador en paralelo autoexcitado. Si se supone lineal la resistencia del campo
paralelo, la gráfica es una línea recta. El proceso de construcción es como
sigue: supóngase que el circuito de campo está inicialmente desconectado del
de armadura. La armadura gira a una velocidad dada, lo que origina un voltaje inducido residual Er. Cuando el circuito de campo paralelo se conecta
al de armadura, no hay corriente inicial en el circuito de campo en virtud
del efecto de su inductancia.
El voltaje E r , que aparece en las terminales del circuito de armadura,
origina una corriente que fluye en el circuito de campo. La tasa de crecimiento de 1 1 depende de la constante de tiempo de este circuito; no obstante, con la 1 1 excitando al campo, el voltaje de armadura -de acuerdo
con la curva de magnetización- construye a El. El voltaje de armadura incrementado hace que la corriente de campo aumente hasta 12 , la que a su
vez edifica al voltaje de armadura hasta E 2 •
Este proceso continúa hasta que la curva de magnetización y la línea
de resistencia se intersectan, en cuyo punto cesa el proceso de construcción
de voltaje. Puede continuar ahora una operación estable como un generador en derivación que suministra corriente de carga. Debe notarse que al
crecer la resistencia del circuito de campo, la línea de resistencia de campo
en la figura 5.16 gira en sentido contrario de las menecillas del reloj. En
cierto valor de resistencia, se aproxima casi hasta coincidir con la porción
lineal de la curva de magnetización, lo que se traduce en una condición de
voltaje inestable, en lo referente al suministro de potencia. No obstante,
esta coincidencia tiene algunas características útiles como dispositivos de
control. En algunas ocasiones se le llama "generador sintonizado" y su
nombre de mercado es Rototrol. Si la resistencia crece más allá de este valor, no es posible la construcción de voltaje.
Las configuraciones compuestas poseen también algunas caracterÍsticas de interés. La configuración compuesta acumulativa de la figura 5.15d
implica que se sumen los campos magnéticos de los dos devanados. La
composición acumulativa tanto de motores como de generadores se usa con
frecuencia para reunir las ventajas de la excitación en serie con la que está
en paralelo, aunque con el advenimiento de las técnicas de control electrónico para los circuitos de armadura y de campo este método ha caído casi
en desuso.
La máquina compuesta diferencial se emplea cada vez menos salvo
quizá en el laboratorio, donde el estudiante neófito de maquinaria pueda
inadvertidamente ponerla en operación. En esta configuración se oponen
los flujos de los campos en serie y en derivación y es posible que no exista
flujo dentro del campo magnético en algun estado de operación. Si esto tiene lugar en operación de motor, (5.24) puede ocasionar que la velocidad
Máquina con conmutador en corriente continua 205
E
L (nea de resistencia de campo
FIGURA 5.16 Construcción de voltaje en un generador autoexcitado.
del motor llegue a ser peligrosamente alta. Esto debe evitarse; la conexión
diferencial tiene algunas características útiles en aplicaciones de control,
aunque en general conduce a operación inestable que puede dañar a la máquina.
Ejemplo 5.1
Un generador con conmutador en c.c., de seis polos y 30 ranuras, tiene devanado imbicado de armadura. Determinar mediante la ecuación (5.12) la
constante de armadura Ka para esta máquina.
Este tipo de devanado tiene un número de trayectorias en paralelo
igual al número de polos, en este caso, a = 6. El número de conductores
activos en un devanado de doble capa es igual al doble del número de ranuras (hay dos conductores por cada ranura), por lo que Z = 2 X 30 = 60
conductores. Sustituyendo estos valores en la ecuación (5.11), se obtiene
= 60x6 = 30 =9.55
K
a
2?Tx6
?T
206 La máquilUl con conmutador para
e.e.
Ejemplo 5.2
El generador del ejemplo 5.1 se opera con un campo excitado separadamente, de tal suerte que el flujo de campo por polo es de 0.04 Wb. Si se
impulsa el generador a una velocidad de 3 000 rpm, determinar el voltaje
de armadura sin carga.
Como 3 000 rpm equivalen a 314.16 rad/seg, el voltaje sin carga será
E=9.55 x.04x314.l6= 120 V
Ejemplo 5.3
El generador del ejemplo 5.1 se operará ahora como motor. El circuito de
campo se ajusta como en el ejemplo 5.2, de tal manera que el flujo sea
de 0.04 Wb/polo. Se desea alimentar una carga que requiere un par de 50
Nw-m en 4 000 rpm. ¿Cuáles deben ser la corriente y voltaje de armadura
para alimentar a esta carga? La resistencia del circuito de armadura se tomará igual a 0.075 Ohms.
La corriente de armadura puede determinarse directamente a partir
de (5.18):
la = 50/ (9.55 X 0.04) = 130.9 A
La fcem es
E=9.55 xO.04x418.9= 160 V
El voltaje de armadura necesario, de acuerdo con (5.23), es
v= 160+ 130.9 x 0.075 = 160+9.8= 169.8 V
Ejemplo 5.4
Un cierto generador en derivación excitado separadamente tiene la característica de magnetización que se muestra en la figura 5.14. Se impulsa a
5 000 rpm con una excitación de campo de 2 000 amp-vueltas y suministra
una corriente de carga de 150 A. La resistencia total del circuito de armadura es de 0.08 ohms. Determinar el voltaje terminal, la salida de potencia,
la potencia electromagnética y la entrada de par electromagnético requerido para la condición de carga estipulada.
De acuerdo con la figura 5.14, el voltaje sin carga para 2000 Amp-vueltas es 131 V. Para la corriente de carga fijada, el voltaje terminal es (sin
considerear la reacción de armadura).
v = 131 -
150 X 0.08 = 119 V
Caracteristicas de armadura y de circuito de campo 207
La potencia de salida es P = 119 X 150 = 17, 850 W. La potencia electromagnéticaes Pe =EI = 131 X 150 = 19,650W. La entrada de par electromagnético es 19 650/523.6 = 37.5 Nw.-m.
5.6. CARACTERISTICAS MAGNETICAS DE ARMADURA Y DE
CI RCUITO DE CAMPO
Hay varios tipos de diagramas útiles para ilustrar relaciones espaciales entre
los campos magnéticos producidos por diversas fuentes de excitación. La
figura 5.17 ilustra de un modo esquemático la sección transversal (perpendicular al eje de rotación) de una máquina con conmutador de c.c. de dos
polos. En esta representación simplificada no se muestra el conmutador,
aunque sí se indican las escobillas que conectan al circuito de armadura externo, en su ubicación física propia respecto a las porciones "activas" de
los conductores de armadura; esto es, las porciones localizadas en las ranuras de armadura.
Conviene que el lector relacione este tipo de diagrama con los esquemas de las figuras 5.10 Y 5.11. La máquina de dos polos se usa para simplificar el diagrama y la explicación subsecuente. En una máquina multipolar
con p polos se repetiría el patrón de la figura 5.17 p/2 veces alrededor de
la circunferencia de la armadura. Esta forma de representación de máquina
es independiente del hecho que el devanado sea imbricado u ondulado. Es
aún más" aproximarlo para una máquina práctica con devanado tipo circuito impreso (figura 5.12), en el cual no existe conmutador y las escobillas
hacen contacto eléctrico con los conductores. El lector debe verificar que
el flujo de campo y la rotación de la armadura, para las direcciones de corrientes de armadura de la figura 5.17, correspondan a la operación como
motor.
Los polos de campo y su flujo magnético asociado <Pf pueden caracterizarse por excitación eléctrica o por imán permanente, por lo que ya no
se insistirá sobre este punto. El flujo magnético <Pa que resulta de la corriente de armadura se observa que es ortogonal al flujo de campo y colineal
con los ejes de las escobillas. Las flechas del diagrama representan flujo
magnético y no deben interpretarse como vectores, sino más bien como
líneas centrales o ejes de las líneas de flujo magnético o líneas de flujo producidas por el campo y las fems de armadura. Se sustituyen a menudo las
flechas direccionales de flujo por vectores de densidad de flujo, aunque este
tipo de representación vectorial puede describir densidad de flujo sólo en
un punto, a saber, a lo largo de los ejes horizontal y vertical de la figura 5.17.
El punto importante que hay que observar es que la dirección de las
líneas de flujo de armadura o la densidad de flujo resultante de la corriente
de armadura a lo largo del eje, es estacionaria en el espacio e independiente
de la velocidad de rotación de la armadura. Esta situación proviene de la
208 La máquina con conmutador para
e.e.
I
r
PNG
1>(
.
s
N
FIGURA 5.17
neutral plan).
Escobillas en el plano geométrico neutral (GNP: geometric
acción de las escobillas, pues al pasar un conductor por la posición de escobillas, la corriente en él invierte su dirección. A este proceso se le llama
conmutación. Con referencia a la figura 5.17, todos los conductores de la
mitad izquierda de la armadura tienen siempre el flujo de corriente en la
dirección mostrada. Los de la mitad derecha tienen también siempre corriente en la dirección opuesta, aunque estén girando constantemente los
conductores en la dirección que se indica. Esta condición existe si se supone que no hay cambio en la dirección de excitación de campo, ni en la
dirección de rotación o en la dirección de corriente de armadura en el circuito de armadura externo. La interacción entre el campo magnético estacionario- que resulta del flujo de corriente de armadura y el campo
magnético producido por el devanado de campo se denomina reacción de
inducido (conocida también como reacción de armadura).
Puesto que el eje de escobilla determina al eje del campo magnético
de la armadura, puede desplazarse el eje magnético al desplazar el de escobilla. Esta técnica se empleó en muchas máquinas primitivas con conmutador en C.C., para mejorar la conmutación antes del advenimiento de los
devanados compensadores. El método se usa aún en motores de arranque
Caracteristicas de armadura y de circuito de campo 209
automotrices, donde puede lograrse una conmutación adecuada con esta
técnica sin el costo adicional de los devanados compensadores. La figura
5.18 es una representación esquemática semejante a la de la figtira 5.17. En
la figura 5.19, las superficies circunferenciales de los polos de campo y la
armadura se han "desenrollado" de una manera similar a los esquemas de
devanado de las figuras 5.10 y 5.11, para dar un diagrama lineal de estas
superficies. La figura 5.19a ilustra las superficies de entrehierro linealizadas. En la figura 5.19b se muestran las distribuciones de fmm y flujo magnético debidas sólo a la excitación de campo, en tanto que la 5.19c ilustra
las distribuciones de fmm y de flujo magnético debidas a la excitación de
armadura únicamente. Las fmms de la figura 5.19 se obtienen aplicando
la ley de Ampere (2.2), bajo el supuesto de que las porciones magnéticas
de la máquina son materiales magnéticos ideales.
Para aplicar esta relación, debe escogerse la trayectoria cerrada de integración de tal manera que se incluyan todas las fuentes magnéticas dentro
de un paso polar (5.1). En la figura 5.19a se muestra una trayectoria de esta naturaleza, a través de las líneas centrales de los dos polos magnéticos.
La fmm debida sólo a los devanados de campo (figura 5.19b) es una aplicación directa, conveniente de la ecuación (2.2), que no requiere de expli-
N
s
FIGURA 5.18 Escobillas corridas del plano geométrico neutral.
210 La máquina con conmutador para
,
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ -,
®
®
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1
NI
I
I
I
1
e.e.
---~
L..-_ _ _1-
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ESC¡illa
I
is
Yugo
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~Devanado
I
®
I
X
:
de campo
Polo
I
__
® ® ® ® ® L~_~_~_~_~ ~_~_~J ~ ® ® ® ®
~wm
(a)
'Conductores
de armadura
---_~~-----r-~---~L-~-----L-~------(b)
FMM.
----------------I'=-------------~----(d)
FIGURA 5.19 a) esquema de campo y armadura. b) Flujo Yfmm debidos sólo
al campo. C) Flujo y fmm debidos sólo a la armadura. d) Flujo debido a la acción combinada de campo y armadura.
azracteristicas de annadura y de circuito de campo 211
cación adicional. La magnitud de fmm de campo, obtenida de este modo,
esN,ff·
Es más difícil darse una imagen de la distribución de fmm de armadura. Para la trayectoria que se muestra en la figura 5.19b, la fmm debida a
los conductores de armadura es cero, pues en la trayectoria cerrada se incluyen igual número de conductores con corrientes positivas y con corrien·
tes negativas. Si esta trayectoria se moviera a la derecha se incluiría un
exceso de conductores portadores de corriente positiva dentro de la trayectoria, originándose una fmm positiva. Si la geometría de la trayectoria cerrada se mantiene constante al moverse esta trayectoria, la fmm se incrementa
según un patrón de función escalón al pasar las fronteras conductoras. La
función triangular mostrada en la figura 5.19c, es un promedio de estos
cambios escalón de la fmm.
En rigor, esta función triangular continua representa la fmm de una
"lámina de corriente". La función ocurre cuando a una distribución circunferencial uniforme de corriente de armadura de una polaridad entre posiciones de escobilla le sigue una distribución de corriente de armadura
uniforme de polaridad opuesta entre el siguiente conjunto de posiciones de
escobilla. La función triangular continua se aproxima por una máquina
con conductores y ranuras discretos, si existe un número grande de ranuras profundas y estrechas entre las posiciones de escobilla.
El significado de estos diagramas de fmm puede interpretarse mediante la ecuación (2.2). La fmm descrita por estos diagramas es la que tiene
lugar dentro de un paso polar, en función de la naturaleza circunferencial
de la ubicación de la trayectoria cerrada cuando cruza el entrehierro de
aire. Dado que no hay caída de reluctancia en los miembros magnéticos
cruzados por la trayectoria cerrada (bajo la suposición de que se trata de
materiales magnéticos ideales), la caída total de reluctancia de 1 H • dI
en el primer miembro de la ecuación (2.2) tiene lugar en el entrehierro de
aire.
Los diagramas de fmm representan también la magnitud de la intensidad de campo magnético H alrededor de la circunferencia del entrehierro
de aire. Mediante las gráficas de fmm para representar intensidades de campo en el entrehierro y considerando la reluctancia de la trayectoria cerrada,
se puede estimar cualitativamente la densidad de flujo magnético en función de la posición circunferencial, en virtud tanto de la fmm de campo
como de la de armadura. Estas gráficas de flujo aproximadas se muestran
en las figuras 5.19b -5.19d.,
Se observa que la distribución de densidad de flujo de la fmm de campo corresponde generalmente a la gráfica de fmm, con alguna tolerancia
para los efectos de borde en los lados de polo. La correspondencia proviene de la baja reluctancia de la trayectoria de integración, cuando esta trayectoria incluye a los dos polos. En contraste, cuando la fmm de armadura
es máxima, la trayectoria de integración atraviesa los espacios de aire de
212 La máquina con conmutador para C. C.
alta reluctancia entre los polos. Bajo estas circunstancias, la distribución
de densidad de flujo no corresponde a la gráfica de fmm. Debe notarse otra
vez que la gráfica de densidad de flujo de la figura 5.19 se basan en la suposición de materiales magnéticos ideales y no toman en cuenta los posibles
efectos de saturación en el interior de materiales magnéticos reales.
Lo anterior, junto con las figuras 5.7 a 5.19, ilustra la naturaleza del
campo magnético de armadura o de la reacción de inducido. El efecto real
de ésta sobre la operación de una máquina dada depende de muchos factores, además de las relaciones básicas descritas arriba. Estos factores son las
magnitudes relativas de campo y de fmms de armadura, bajo condiciones
normales de operación; la longitud del entrehierro de aire, la geometría de
las ranuras de armadura, el tipo de excitación de campo (eléctrica o de imán
permanente) y las diversas medidas correctivas que se adopten para mejorar la conmutación. Las siguientes consideraciones sobre los efectos de la
reacción de inducido son de carácter general y pueden variar considerablemente de una máquina a otra, dependiendo de la construcción de la máquina y su aplicación.
1. La reacción de inducido es fundamentalmente un campo magnetizante cruzado en una máquina con conmutador en C.C., pues es
ortogonal al campo de la fuente de excitación principal. Esta relación espacial se observa con toda claridad en la figura 5.17.
2. Los efectos magnetizan tes cruzados de la reacción de inducido son
básicamente distorsiones del campo magnético de la fuente de excitación principal. Las dos distorsiones importantes de este campo
son:
a) Crear un campo magnético en las regiones de interpolos, donde
los conductores de armadura soportan la conmutación.
b) Distorsionar el campo bajo los polos de campo principal, agregando fmm a un lado del polo y restándola en el otro. Como se
ve de la figura 5.19d, esto tiende a aumentar la densidad de flujo debajo de una punta de un polo de campo principal.
Los dos efectos distorsionantes de la reacción de inducido tienden a tener efectos adversos sobre el proceso de conmutación.
El flujo en la región interpolar significa que la bobina que experimenta la conmutación se mueva a través de un campo magnético durante el tiempo en que esté en corto por las escobillas. El
elevado nivel de flujo en una punta de un polo de campo principal implica que la bobina que pasa a través de este flujo tenga
voltajes más altos que los normales que se inducen en ella. Esta
circunstancia puede originar una ruptura de voltaje a través de
las barras del conmutador a las que está conectada la bobina. Estos dos fenómenos tienden a originar chispas en la región escobilla/conmutador.
Conmutación 213
3. Pueden presentarse algunos efectos desmagnetizantes, provenientes
del campo magnetizante cruzado de la reacción de armadura:
a) En la región bajo los polos principales, la suma de fmm en un lado y la sustracción en el otro, originadas por la reacción de inducido, es una suma algebraica de fmms. El flujo que resulta de
esta suma depende del grado de saturación del circuito magnético. Si se diseña la excitación de campo nominal para hacer que
el circuito magnético se excite alrededor de la "rodilla" de la
curva de saturación del material magnético, la suma de fmm en
un lado del polo se traducirá en un incremento más pequeño en
la densidad de flujo que la sustracción de fmm en el otro lado.
Por consiguiente, habrá una reducción neta en el flujo total que
emana de la parte baja de un polo principal. En una máquina con
conmutador en c.c. típica, este fenómeno se traduce generalmente en una reducción en el voltaje de generador (o fcem del
motor) con carga completa del 2 al 5% .
b) El desplazamiento de las escobillas produce una fmm magnetizante o desmagnetizante. En la figura 5.18 se ve que la fmm de
armadura ya no es ortogonal a la fmm de campo principal. Posee componentes cruzadas y desmagnetizantes. Si las escobillas
se desplazan de tal manera que se mejore la conmutación, el
campo magnetizante no cruzado será siempre un campo desmagnetizante.
4. Los efectos de la reacción de inducido sobre la fmm de campo principal son de signo algebraico opuesto, dependiendo de si la máquina opera como motor o como generador, debido a que la diferencia
entre las dos operaciones la gobierna el signo de la corriente de armadura.
5.7 CONMUTACION
Se ha mencionado el término conmutación en varias secciones de este capítulo sin haberse dado una definición específica de él. En las máquinas
con conmutador en c.c., la conmutación se refiere al proceso de inversión
de la corriente en la bobina de armadura. Este proceso tiene lugar cuando
las barras de conmutador a las que se conecta la bobina pasan bajo una escobilla estacionaria conectada al circuito de armadura externo. La conmutación, en el sentido más amplio, se asocia frecuentemente al concepto de
bloqueo de una corriente, como tiene lugar, por ejemplo, en un thyristor
(SeR: silicon controlled rectifier: rectificador de silicio controlado). El
término no es incompatible con su uso en máquinas con conmutador en
c.c., pues la corriente de armadura debe primero bloquearse y enseguida
hacerse circular en el sentido opuesto. La conmutación ideal, en una má-
214 La máquina con conmutador para e.e.
---=-I
I Tiempo
t
de
conmutación
FIGURA 5.20 Conmutación lineal o ideal.
quina con conmutador en c.c, es la variación lineal de la corriente de
armadura desde + la hasta - la' como se ilustra en la figura 5.20. La conmutación lineal es una meta que debe procurarse, aunque rara vez se alcanza en el diseño u operación de una máquina con conmutador en c.c. Los
principales obstáculos para alcanzar la conmutación lineal -algunos de
los cuales han sido ya descritos- son:
1. Flujo magnético en la "zona espacial de conmutación"; esto es, en el
área que rodea a los conductores que experimentan conmutación. Este
flujo se debe a los efectos distorsionan),es de la reacción de inducido.,
di
2. Voltaje de reactancia propia: el volb .je igual a L t---:-:-i asociado con la
dt
inductancia de la bobina que experimenta conmutación.
3. Voltaje de reactancia mutua: el voltaje igual a M(:i) asociado con bobinas adyacentes que experimenten conmutación. t
4. Voltajes elevados de barra a barra, inducidos por el flujo excesivo en una
punta de polos. Se originan por los flujos de reacción de inducido, que
ayudan al flujo de campo principal en un lado del polo, como se vio en
la sección anterior.
Existen varias soluciones que se han desarrollado para compensar estos
efectos de reacción de inducido, que son:
1. Interpolos: se trata de polos auxiliares ubicados entre los polos del
campo principal, es decir, aproximadamente en la región opuesta a las escobillas. Se diseñan para suministrar un flujo con polaridad opuesta al flujo que existe en la región interpolar originado por la reacción de inducido,
como se muestra en la figura 5.19d, más un flujo adicional diseñado para
contrarrestar los efectos de los voltajes de reactancia propia y mutua.
La fmm requerida para contrarrestar al flujo de la reacción de induci-
Conmutación 215
do puede obtenerse refiriéndose a la figura 5.19c: la fmm magnetizante
cruzada por posición de escobilla es
Nl b
1
= (conductores en 2- claro de polo)
la
X-
a
(5.25)
La fmm del interpolo debe ser mayor que el valor obtenido al aplicar la
ecuación (5.25) por la necesidad de compensar los efectos de los voltajes
de reactancia propia y mutua. Este valor varía con la construcción de
cada máquina, pero en general es del orden de 1.25 veces la fmm obtenida
a partir de la ecuación (5.25).
El devanado que produce la fmm de interpolo se conecta en serie con
el circuito de armadura, pues la reacción de inducido que va a compensarse por el interpolo varía linealmente con la corriente de armadura. La figura
5.22 ilustra la función de los interpolos en la reducción del flujo interpolar y en la sobrecompensación de los voltajes de reactancia.
2. Devanados compensadores. Estos devanados se ubican en las caras
de polo de los polos principales y se diseñan para compensar los efectos de
distorsión de la reacción de inducido bajo los polos principales. La figura
5.22 ilustra la colocación de los devanados compensadores. Al aplicar la
ecuación (2.2), se ve que los devanados compensadores "compensan", esto
es, eliminan la fmm de reacción de inducido bajo los polos principales. Los
devanados compensadores, al igual que los devanados interpolares, se conectan en serie con el devanado de armadura.
3. Desplazamiento de escobillas. Este es un método arcaico de compensar los efectos de reacción de inducido. La figura 5.18 ilustra la manera
en que la fmm de reacción de inducido cambia; de ser una fmm puramente magnetizante cruzada, a una con componentes mangnetizante cruzada
y desmagnetizante, mediante un desplazamiento de escobillas. Esta técnica
se usó para compensar los efectos de la reacción de inducido antes de la introducción de los interpolo s y devanados compensadores. Todavía se usa
para este propósito en máquinas donde es prohibitivo el costo de interpolos o devanados compensadores, como por ejemplo en motores de arranque
automotrices. El desplazamiento de escobillas se aplica sólo para un tipo
de conversión de energía; esto es, para acción de motor o de generador.
Además, los efectos del desplazamiento de escobillas se fijan en magnitud
como función de la corriente de armadura, en contraste con la corrección
por interpolo s o por devanados compensadores.
Los diversos métodos de compensación de efectos de reacción de inducido se utilizan en las máquinas con conmutador en C.C., en función de
la ubicación de la máquina en términos de costo, aplicación y tiempo de vida de operación útil de la máquina. Por su parte, una compensación de
conmutación impropia conduce a un mantenimiento en exceso de la máquina, en virtud del desgaste y deterioro. El empleo de una u otra de las
216 La máquina con conmutador para
®
®
®
(a)
e.e.
r-:®",--_...s Yugo
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X
Escobilla
l
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conductores/
de armadura
~Devanado
®
de campo
Polo
~W'"
Interpolo
(b)
FIGURA 5;21 a) Esquema mostrando ubicación de interpolos. b) Flujo y fmm
debidos al interpolo. e) Flujo resultante de excitación de campo principal, de
armadura y de interpolo. (Comparar con figura 5.19d).
s
®®®®ftJ®®®
conductores/'
de armadura
Escobilla
compensadores
FIGURA 5.22 Devanados compensadores.
Pérdidas y eficiencia 217
técnicas de compensación descritas es un compromiso entre costo inicial
de la máquina contra costo de operación y mantenimiento.
5.8 PERDIDAS Y EFICIENCIA
Una de las características de cualquier máquina es su eficiencia en potencia
o energía, definida en el capítulo 1. La eficiencia en energía es de utilidad
en aplicaciones de velocidad y par variables, como las aplicaciones en tracción. La eficiencia en potencia de las máquinas con conmutador en c.c. varía
considerablemente con el par. Por lo tanto, la eficiencia en potencia de la
máquina, en una cierta condición de velocidad y par, puede no ser en absoluto señal de la eficiencia promedio dentro de un rango determinado de
condiciones de velocidad y par. Por esta razón, la eficiencia en energía durante un ciclo de operación específico o "ciclo de trabajo mecánico", tiene más sentido con frecuencia para especificar la operación de una máquina
que no funciona en condiciones constantes de velocidad y par. En el desarrollo que sigue, las componentes de pérdidas y las eficiencias se expresan
en términos de potencia. Los términos en energía pueden obtenerse mediante integrales en el tiempo de las cantidades que expresen potencia.
La potencia mecánica en la flecha de una máquina electromagnética
rotatoria es
(5.26)
Esta potencia, en un motor, es la potencia de salida disponible; es decir, la
potencia que puede suministrarse a una carga mecánica externa como una
bomba, un generador o una grúa. En un generador, ésta es la potencia de
entrada requerida. La potencia eléctrica en las terminales de una máquina
con conmutador en c.c. es
(5.27)
donde V e 1 son el voltaje y corriente, respectivamente, del sistema eléctrico externo conectado a la máquina y Pf es la potencia suministrada al devanado de campo excitado separadamente, si la máquina se opera con un
campo de esta índole. En un motor, Pe es la potencia de entrada; en un generador, la componente VI de Pe es la potencia de salida. La razón de P m
a Pe es la eficiencia en potencia de la máquina.
La diferencia entre la entrada y salida consta de varias componentes
de las pérdidas internas de la máquina descritas con el auxilio del diagrama
de flujo de energía de la figura 5.23. En este diagrama, el flujo de potencia
(o de energía) puede tener una u otra dirección, dependiendo de si la máquina funciona como motor o como generador. Muchas de las componentes de pérdida son típicas de cualquier máquina rotatoria electromagnética,
218 La máquina con conmutador para C. C.
V¡ l¡ +
Tsw m
Salida
Entrada
Potencia desarrollada
por la armadura
(a)
Tsw m
Entrada
Salida
Potencia desarrollada
por la armadura
(b)
Pmag
FIGURA 5.23 Flujo de potencia en una máquina con conmutador en c.c. a)
Generador. b) Motor.
aunque las descripciones que se dan enseguida están en términos de la máquina de conmutación en c.c.
1. Pérdidas mecánicas. Hay tres componentes de pérdidas mecánicas
en una máquina con conmutador en C.C.:
a) Rozamiento de cojinete. Esta componente varía con el tipo y
calidad del cojinete usada en la máquina, con la carga de par
(axial o radial) sobre el cojinete y con la velocidad de rotación.
Para una evaluación exacta del rozamiento de cojinete debe consultarse al fabricante. Una relación aproximada de la pérdida, en
función de la velocidad de rotor de la máquina la da 3
(5.28)
donde K b es una constante que depende de las dimensiones del
cojinete y del tipo y método de lubricación. Para dos cojinetes
similares por máquina y lubricación por película de aceite, Kb
se encuentra entre 1.1 y 1.7.
Pérdidas y eficiencia 219
b) Vendaval. Esta componente se debe al movimiento del aire en el
entrehierro y en las regiones interpolares, originado por la rotación de la armadura. Depende de muchas de las características
de construcción de la máquina, aunque tiene más influencia en
ella la inducción de flujo de aire laminar o turbulento en las regiones del entrehierro de aire. La pérdida por vendaval de una
configuración de entre hierro de aire axial es por lo general menor que la de una radial de capacidad de potencia equivalente.
Una fórmula útil para estimar las pérdidas por vendaval en una
máquina con entrehierro de aire radial, suponiendo flujo turbulento, es4
(5.29)
donde R Y I son el radio y la longitud del rotor cilíndrico, respectivamente; p es la densidad del aire y C d es un coeficiente
de rozamiento pelicular, determinado de
_1_ = 2.04 + 1.768 ln( Re
-ve;
-ve; )
(5.30)
donde Re es el número de Reynolds para el entrehierro de aire
radial.
c)Rozamiento de escobilla. Esta componente es privativa de las máquinas rotatorias que requieren sistema de escobilla/conmutador.
Con frecuencia es la componente más grande de las pérdidas mecánicas y uno de los aspectos indeseables de esta clase de máquinas.
La pérdida por rozamiento de escobilla depende de la velocidad
de rotación, de la presión de escobilla y de la composición de las
escobillas. El último aspecto se selecciona sobre la base de un
"compromiso de ingeniería", ciertamente complicado, entre un
número elevado de parámetros que incluye rozamiento de escobilla, resistencia eléctrica de escobilla, tiempo de vida de escobilla,
densidad de corriente de escobilla, presión de escobilla, costo de
ensamblado de escobilla y otros. Las escobillas se construyen con
un material a base de carbón (grafito) mezclado con cobre o algún
otro material conductor. En general, el material conductor, al
aumentar la conductividad eléctrica, reduce las características
lubricantes del grafito. Origina una pérdida por rozamiento adicional, desgaste y rasgaduras en el conmutador y ruido audible
por el "rechinido" de escobilla. Es difícil calcular la magnitud
de esta componente de pérdida y debe obtenerse de mediciones
experimentales.
220 La máquina con conmutador para
e. e.
2. Las pérdidas magnéticas o pérdidas en el núcleo se presentan en secciones magnéticas de máquinas con conmutador en c.c. en las que
existe un campo magnético que varía con el tiempo. En el capítulo
2 se describió la naturaleza de estas pérdidas. Las pérdidas magnéticas tienen lugar principalmente en la armadura, ya que el campo
magnético en las secciones de polo y yugo es relativamente constante. El material magnético de la armadura está girando continuamente a través del flujo de campo principal, por lo que generalmente
se construye en láminas para reducir al mínimo las corrientes de
torbellino. Sin embargo, existe una fuente de estas corrientes y la
pérdida asociada se localiza en las regiones de polos adyacentes al
entrehierro de aire. A esta área se le llama "cara de polo".
3. Pérdidas por devanado, a menudo llamadas "pérdidas en el cobre",
son pérdidas óhmicas en la armadura, en el campo en los interpolos
y en los devanados compensadores. Estas pérdidas se calculan de
inmediato si se conocen las resistencias de devanado, mediante los
inétodos experimentales descritos en la sección 5.9. Las resistencias
de la armadura, interpolo s y polos compensadores generalmente se
reúnen para formar la resistencia total de circuito de armadura. Las
resistencias de devanado se miden por lo general a la temperatura
ambiente, que es menor que la temperatura a la que van a operar
los devanados. Al usar resistencias medidas para calcular pérdidas
o caídas de voltaje, estos valores medidos deben corregirse para
que correspondan a las temperaturas reales de operación.
4. Pérdidas eléctricas por escobilla. El material de grafito al carbón
que se utiliza como material básico en las escobillas, tiene una característica de resistencia que difiere de la de los conductores metálicos; a saber, tiene una característica resistencia-temperatura
negativa, semejante a la de un semiconductor. Además, la pérdida
por escobilla proviene en parte de la resistencia de contacto entre
escobilla y conmutador, que no puede describirse tampoco como
una resistencia óhmica convencional. Por esta razón, la caída de
voltaje en la escobilla y la pérdida de potencia se tratan separadamente del voltaje y pérdida del circuito de armadura. La pérdida
por escobilla depende de muchos factores, incluyendo la composición de las escobillas, la presión de contacto, la temperatura de las
escobillas, la condición de la superficie del conmutador, y otros.
Para escobillas de grafito puro a menudo se supone que es constante la caída de voltaje en las terminales de la resistencia escobilla/
contacto, con un valor de 2.0 V, en función de la corriente de armadura, por lo que la pérdida por armadura es 2 la W. Sin embargo, en la práctica, la caída de voltaje varía considerablemente con
la composición de las escobillas y debe determinarse para cada máquina. En máquinas pequeñas, la caída de escobilla y pérdida se in-
Especificaciones de placa 221
cluyen por lo general en los parámetros de circuito de armadura
total.
5. Pérdida por carga parásita. Es una pérdida en cierta forma anómala,
que se usa para tomar en cuenta el incremento de pérdida causado
al cargar la máquina. Se atribuye principalmente al incremento en
pérdidas magnéticas originado por los cambios en la distribución
de flujo del campo de reacción de inducido. Esta pérdida tiene más
importancia en máquinas grandes. La pérdida por carga parásita es
difícil de medir con exactitud (ver sección 5.9), y con frecuencia
se asigna un valor del 1 % de la salida de máquina en máquinas grandes para tomarla en cuenta.
5.9 ESPECIFICACIONES DE PLACA
La "especificación" de una máquina se refiere a las condiciones de voltaje,
corriente, velocidad y potencia en las que la máquina opera normalmente.
Hay varias especificaciones asociadas con las máquinas de conmutador en
c.c., siendo la principal la que se conoce como especificación continua o
especificación en una hora, que es la que se describe en la nomenclatura de
placa. La especificación de potencia continua en una máquina es una capacidad térmica. A esta potencia puede operarse la máquina durante lapsos
grandes sin que la temperatura se eleve más allá de los límites de los materiales aislantes de conductores, de los cojinetes y de otras componentes
que se afectan críticamente con la temperatura. Hay varias especificaciones adicionales para lapsos breves que no se estipulan en la nomenclatura
de placa, pero que pueden obtenerse del fabricante.
Durante lapsos cortos, muchos tipos de máquinas con conmutador en
c.c. pueden operarse en condiciones de potencia y/o par que exceden considerablemente a la capacidad continua. Por ejemplo, los motores industriales pueden operarse por lo general en forma intermitente o en intervalo de
un minuto en pares tres a cinco veces mayores que el par continuo. 5 La
potencia nominal se refiere a una potencia de salida, esto es, a la potencia
de salida de flecha para un motor y a la potencia de terminal de salida para
un generador.
La especificación de velocidad para las máquinas con conmutador en
c.c. es más compleja que su capacidad en potencia, pues la mayoría de las
máquinas de c.c. son dispositivos de velocidad variable. En máquinas pequeñas o en máquinas de control a menudo se da un rango de velocidad.
En motores excitados separadamente o en derivación, una especificación
de velocidad se refiere a la velocidad máxima en la cual se puede sostener
la excitación de campo completa. De las ecuaciones (5.11) y (5.24), se
observa que esta velocidad se determina por el voltaje final y la dimensión
del circuito magnético de la máquina (que fija el valor de <f¡ antes de la sa-
222 La máquina con conmutador para
e.e.
turación). La máquina puede operarse arriba de esta velocidad por "debilitamiento de campo", es decir, reduciendo el valor de <p.
En la nomenclatura de placa se da una segunda velocidad, que es un
límite superior de velocidad de operación en el rango de debilitamiento de
campo de operación. En un motor en serie, la velocidad nominal se refiere
a la velocidad posible con salidas estipuladas de voltaje y potencia en el
motor. Además de estas velocidades tasadas o nominales, existe un límite
de seguridad de velocidad de operación: la velocidad más alta en que puede
operarse la máquina antes de que tenga lugar un daño mecánico. En las
máquinas con conmutador en c.c., este límite de velocidad se determina
mediante el diseño de ensamblado de conmutadorjescobilllas, y no puede
excederse. El fabricante puede informar al respecto.
Una indicación nominal de potencia de motor incluye, cuando menos,
la siguiente información: salida de potencia (por lo general en caballos de
fuerza), velocidad (r.p.m.), voltaje terminal, corriente de armadura para salida nominal, corriente de campo bajo condiciones nominales de operación
y factor de servicio. Este último es un multiplicador que puede aplicarse a
la capacidad de salida de la máquina para permitir operación en salida incrementada bajo condiciones particulares especificadas por al fabricante.
Para una discusión más detallada de especificaciones nominales, consúltense las referencias 6 y 7.
Rara vez se estipula el par en las nomenclaturas de placa de motores
de potencia, aunque puede obtenerse a partir de datos nominales mediante
las relaciones
P (en caballos de fuerza)
21f NT
= ---
33,000
(5.31 )
P (en Watts)
NT
= -7.04
donde T está en libra-pie y N en rpm. La ecuaciones (5.31) aparecen en la
forma anterior en virtud de que la libra-pie se encuentra aún con mucha
frecuencia en la práctica comercial.
Las nomenclaturas de placa de motores de control generalmente incluyen voltaje, corriente y par y, a menudo, inercia de rotor. Las especificaciones nominales para generadores de potencia son semejantes a las de los
motores de potencia, salvo que la salida de potencia se da en kilowatts.
5.10 DETERMINACION EXPERIMENTAL DE PARAMETROS DE
MAQUINA
Para predecir la operación de una máquina o para ajustar las posibilidades
de una máquina a una cierta aplicación, es necesario conocer los valores de
Determinación de parámetros de máquina 223
algunos de los parámetros internos de máquina. Son de particular importancia, sobre todo en aplicaciones de control, la inductancia y resistencia
de la armadura y de los circuitos de campo. Pueden determinarse generalmente por medio de los métodos convencionales de puente o por mediciones de voltaje-corriente, como para cualquier otro tipo de circuito. Es
a menudo deseable medir la resistencia e inductancia del circuito de armadura sin incluir la de las escobillas. Esto puede hacerse colocando las puntas
de los instrumentos debajo de las escobillas, en el circuito del conmutador.
La resistencia del circuito de armadura se obtiene con frecuencia a
partir de una prueba normal de máquina, llamada prueba de rotor bloqueado. En esta prueba se bloquea mecánicamente el ro.tor, para evitar que gire.
Esto se realiza afianzando un brazo de freno a la flecha de rotor, entonces,
puede usarse una escala para medir el par desarrollado por la máquina. En
una máquina en derivación o excitada separadamente, debe energizarse el
campo con una fuente de voltaje variable, para variar la corriente de campo. El circuito de armadura se alimenta con una fuente de voltaje relativamente bajo, pues la única impedancia en el circuito de armadura en reposo
es la resistencia del mismo.
El procedimiento de prueba es como sigue: con el rotor bloqueado y
la corriente de campo (si se opera en paralelo) establecida en un valor prescrito, aumentar el voltaje de armadura desde cero hasta un valor que dé la
corriente de armadura deseada. Medir el voltaje y corriente de armadura,
la fuerza en el brazo de palanca (que puede dar el par, si se conoce su longitud) y la corriente de campo. Esta ;;.-ueba se repite generalmente para
otros valores de corriente de campo y de armadura. La resistencia de circuitos de armadura puede obtenerse de la razón entre voltaje de armadura
y corriente de armadura y, por lo general, es más indicativa de la resistencia que existe bajo condiciones reales de operación, que las mediciones que
se hacen en niveles bajos de corriente, como en mediciones con puentes.
La constante de par de máquina (5.22) se obtiene de mediciones de par
de armadura y corriente de campo. La prueba con rotor bloqueado requiere niveles de potencia relativamente bajos (en comparación con pruebas
con carga real) y simula por lo general los efectos de la reacción de inducido
bajo condiciones de carga, en la medida que determinan la producción de
par.
Otra prueba de máquina útil es la prueba sin carga. La máquina que
va a evaluarse se impulsa como generador con una fuente externa a una velocidad constante y con una corriente de armadura de cero (con circuito de
armadura abierto). La medición del voltaje de armadura en función de la
corriente de campo produce los datos de curva de magnetización, como se
muestra en la figura 5.14. A partir de estos datos también se puede obtener
la constante de par, K t , como se vio en la ecuación (5.15). Si la máquina
se impulsa con una fuente cuyo par de salida pueda medirse, como un dinamómetro de motor o una máquina de c.c. calibrada, se mediría este par
224 La máquina con conmutador para
e.e.
para cada valor de corriente de campo. El producto del par de entrada
(en Nw-m) por la velocidad de flecha (en rad/seg) es la potencia suministrada a la máquina sujeta a prueba. El producto es una medida de la pérdida sin carga de la máquina, para valores particulares de velocidad y corriente
de campo. Esta pérdida es la suma de las pérdidas mecánicas y magnéticas.
La prueba sin carga se repite para varios valores de velocidad que abarcan
el rango de velocidad de operación de la máquina que se prueba. La familia
de curvas resultante describe la variación de las pruebas mecánicas y magnéticas dentro del rango de velocidad y excitaciones (corrientes de campo)
utilizadas en la prueba.
En algunas máquinas en serie y en muchas de bajo potencia, no están
accesibles las terminales de devanado de campo y la prueba descrita arriba
no puede efectuarse. Además, muchos laboratorios y recursos de prueba no
cuentan con una máquina de impulsión adecuada para operar la máqui·
na en prueba como generador. En circunstancias que imposibiliten la prueba sin carga, puede obtenerse alguna información del mismo tipo, operando
la máquina en prueba como motor sin carga. Las curvas de magnetización
se pueden obtener variando el voltaje de armadura al cambiar la corriente
de campo, para"mantener una velocidad constante y midiendo la corriente y voltaje de armadura, la corriente de campo y la velocidad.
El rango de valores de corriente de campo que puede obtenerse a velocidad constante de esta manera, es menor que el que se logra por el método del generador sin carga. Como el motor carece de carga, será pequeña
la corriente de armadura y los efectos de la reacción de inducido no serán
de consideración. El voltaje inducido E se calcula restando la pequeña caÍda de voltaje en la resistencia de armadura al voltaje terminal de armadura
medido. La pérdida sin carga se determina restando de la entrada de potencia de armadura la pérdida ]2 r de armadura. El minuendo es igual al
producto de corriente de armadura por el voltaje terminal de armadura.
Deben tomarse precauciones al operar un motor sin carga externa, para
que la velocidad de operación máxima, dentro de las normas de seguridad
del motor, no se exceda durante la prueba en valores bajos de corriente de
campo.
5.10.1 Calibración de la máquina
La máquina con conmutador excitada separadamente o en derivación es
un dispositivo muy versátil, ya que su par puede controlarse en un rango
bastante amplio de velocidades, en operación como motor o como generador. En virtud de esta posibilidad, se le usa ampliamente en el laboratorio
como un dispositivo de carga para probar máquinas eléctricas rotatorias,
máquinas de combustión interna y muchos otros tipos de máquinas. La
principal aplicación de la máquina de conmutador de c.c. excitada separa-
Determinación de parámetros de máquina 225
damente en calidad de instrumento de prueba, es el dinamómetro. En éste,
el estator se "mece" y se libera para que gire en un ángulo pequeño, con la
intención de medir el par electromagnético desarrollado. Sin embargo, una
máquina convencional excitada separadamente y con estator fijo es también
muy útil como dispositivo de carga o impulso para probar otras máquinas
rotatorias o mecanismos. Para estas aplicaciones, debe "calibrarse" primeramente la máquina en forma experimental; es decir, debe determinarse la
relación entre la potencia de entrada y la de salida dentro de un rango amplio de velocidad y par.
Para calibrar una máquina con conmutador en C.C., lo que implica determinar las pérdidas en potencia en función de la velocidad y del par, se
requieren las pruebas que siguen:
1. La máquina que va a calibrarse se acopla mecánicamente a otra que
la impulsa. Es conveniente que esta última ya esté calibrada o que se
conozcan sus características, aunque si se dispone de instrumentos
precisos, cualquier máquina con conmutador en C.C., capaz de impulsar a la que se prueba, es adecuada. La máquina impulsora debe
tener una capacidad de potencia mayor que las pérdidas que se esperan en la máquina en prueba. (Por lo general, cuando menos un
15% de la salida de potencia estipulada para la máquina sujeta a
prueba). Esa máquina se denominará máquina "impulsora" en los
parráfos siguientes.
2. La máquina impulsora se opera como motor, desacoplado a la máquina en prueba, dentro del rango total de velocidad que va a usarse para la máquina en prueba.
3. Se acoplan mecánicamente el motor impulsor y la máquina en
prueba. Se impulsa ésta dentro de su rango de velocidad y la entrada de aquél se mide en cada punto de velocidad. La diferencia entre la entrada de potencia al motor impulsor en cada punto de
velocidad, determinada en los pasos 2 y 3, es la pérdida mecánica
del motor en prueba. Graficando estos puntos en función de la velocidad se tiene la pérdida mecánica en función de la velocidad. La
pérdida mecánica puede descomponerse en dos componentes, si se
desea así, efectuando dos veces esta prueba: primero, con las escobillas de la máquina en prueba levantadas, lo que da las pérdidas
por fricción de cojinetes y vendaval y, segundo, con las escobillas
montadas al conmutador, lo que proporciona las pérdidas mecánicas
totales. La diferencia entre estas dos pruebas es la pérdida mecánica por rozamiento de escobillas.
4. Se repite la prueba descrita en el paso 3, con la corriente de campo
de la máquina en prueba establecida en el valor prescrito. Además
de medirse la entrada de potencia al motor impulsor, deben también medirse la corriente de campo y el voltaje de armadura de la
226 La máquina con conmutador para e.e.
máquina en prueba. La diferencia entre la entrada de potencia al
motor impulsor medida en este paso y la medida en el paso 3 para
cada punto de velocidad, es la pérdida magnética de la máquina en
prueba para el valor prescrito de corriente de campo. Este paso debe repetirse para diferentes valores de corriente de campo -los suficientes para cubrir el rango de operación de la máquina en prueba
ya que va a usarse como una máquina "calibrada".
5. Debe obtenerse un valor exacto de la resistencia de armadura de la
máquina en prueba, que puede incluir o no la resistencia por contacto de escobilla, dependiendo de los factores que se trataron en
secciones anteriores de este capítulo. Deben conocerse las características de resistencia contra temperatura de la resistencia de armadura y de la resistencia por contacto de escobilla. Esta es una tarea
bastante sencilla para el propio devanado de armadura, si se conoce el material conductor. Si va a tratarse la pérdida eléctrica por escobilla independientemente de la pérdida por devanado de armadura
(lo que se hace con frecuencia para máquinas de potencia con escobillas de grafito), debe medirse la caída de voltaje por contacto
de escobilla en función de la corriente de armadura. En máquinas
pequeñas o en las de escobillas con grafito al metal, puede generalmente agruparse la resistencia por contacto de armadura con la
de devanado de armadura y la resistencia medida en las terminales de
armadura puede emplearse para calcular la pérdida eléctrica de armadura. Se hacen variaciones de temperatura de resistencia, suponiendo, en este caso, las características del material conductor de
devanado.
6. El último paso implica la medición de la pérdida por carga parásita. Como se habrá observado antes, esta pérdida a menudo se ignora. La prueba que sigue puede usarse para determinar si tiene o no
importancia: la máquina en prueba se impulsa a una velocidad dada
por el motor impulsor como en los pasos anteriores. Con excitación
de campo nula se cortocircuita el circuito de armadura. Aparecerá
una corriente de armadura pequeña en virtud del magnetismo residual. Auméntese lentamente y con sumo cuidado la excitación de
campo de cero hasta un valor que haga que fluya la corriente de armadura de régimen. Mídanse las corrientes de campo y armadura,
así como la potencia de entrada del motor impulsor. Calcúlense las
pérdidas de armadura ]2r y de escobilla para la corriente de armadura estipulada, a partir del valor de resistencia determinado en el
paso 5, haciendo las correcciones por elevación de temperatura de
armadura, como se indicó. Determínense las pérdidas mecánica y
magnética del motor en prueba para la velocidad y corriente de
campo utilizadas con los datos de los pasos 2, 3 y 4. Réstense las
pérdidas ]2 r, las de escobilla mecánica y magnética, de la pérdida
Predicción de caracteristicas de operación 227
medida. La diferencia es la pérdida por carga parásita para esta velocidad
y corriente de armadura.
La prueba debe repetirse para otros valores de corriente de armadura
y para otras velocidades, si la máquina va a operarse en velocidad variable.
Si la diferencia del párrafo anterior resulta negativa, o tan pequeña que
pueda atribuirse a errores por inexactitudes de los aparatos de medición,
puede ignorarse la pérdida por carga parásita. (Nota: la pérdida total en
esta prueba es la entrada de potencia medida en el motor impulsor menos
la medida en el paso 2. Si la corriente de armadura o la de campo difiere
de la medida en el paso 2, deben introducirse correcciones para la variaciones en las pérdidas ¡2 r de campo y de armadura en las entradas del motor impulsor, para considerar esos cambios).
Los datos obtenidos a partir de las pruebas anteriores, pueden emplearse para predeGir la operación de la máquina para trabajar como motor o
como generador, bajo casi cualquier condición de operación. Este proceso
puede simplificarse aún más si se presentan gráficamente los resultados. Así:
a) Gráfica de pérdidas mecánicas contra velocidad, del paso 3.
b) Pérdida magnética y voltaje de armadura inducido contra veloci-
dad, para los valores seleccionados de corriente de campo del paso
4. (Se tendrá una familia de curvas).
e) Pérdida por carga parásita (si es de consideración) contra corriente
de armadura, para los valores escogidos de velocidad del paso 6 (una
familia de curvas).
Al usar estos datos, será frecuentemente necesario interpolar entre
las curvas de pérdidas magnéticas y de carga parásita, así como de voltaje
inducido.
5.11 PREDICCION DE CARACTERISTICAS DE OPERACION
Para la predicción de operación en estado estacionario, debe disponerse de
los datos gráficos de los párrafos a, b y e de la sección anterior. Este método puede utilizarse para la predicción de características tanto de motor
como de generador. Es más adaptable para las configuraciones en derivación
y de excitación separada, aunque puede aplicarse con algunas modificaciones a las configuraciones en serie y compuesta. Se ilustrará el método para
un motor excitado separadamente. El diagrama de pérdida de potencia de
la figura 5.23 auxiliará para conservar el trazo de las componentes de pérdida durante las adiciones de potencia usadas en el método. Para iniciar
la predicción de operación, es necesario suponer la entrada de potencia o
la de salida. Esta selección se hace sobre la base de la forma en que se use
y se controle la máquina. Para motor con control en campo y en armadura,
es práctica común suponer los parámetros de salida.
228 La máquina con conmutador para
e.e.
1.
Supóngase un par de salida T s y una velocidad de flecha W m ; el
producto de T s (en Nw-m) por la w m (en rad/seg) da la potencia
de salida mecánica.
Para la velocidad particular w m supuesta, determinar la pérdida
2.
mecánica P m e e de la curva del párrafo a.
3. Supóngase un valor Ir de corriente de campo. Dado que el método va a repetirse para diferentes valores de corriente de campo,
no importa mucho qué valor se suponga. No obstante, la corriente de campo debe quedar dentro del rango de corriente de campo
utilizadas en los datos de prueba y en el que se espera vaya a utilizarse durante la operación real de la máquina. Para los valores
de corriente de campo y velocidad supuestos, determinar el boltaje inducido E y la pérdida magnética P m al< a partir de la curvas
del párrafo b.
4. Determinar o suponer un valor de pérdida por carga parásita P s L
de la curva del párrafo c.
5. La potencia electromagnética o desarrollada de la máquina es
Pe = Tswm+ Pmee
6.
+ Pmag + PSL
La corriente de armadura para la salida supuesta y la corriente de
campo es
Pe
1 =a
7.
(5.32)
E
(5.33)
Puede insertarse aquí un paso iterativo para lograr más exactitud.
Una vez conocida la corriente de armadura, puede obtenerse la
pérdida por carga parásita de la curva del párrafo c. Encontrar este valor y compararlo con el calculado en el paso 4. Si difiere
considerablemente, introducir el nuevo valor en (5.32) y determinar un nuevo valor de corriente de armadura en (5.33). Este
proceso puede repetirse varias veces hasta que los valores de P s L
e la sean consistentes con los datos medidos del párrafo c. Si este
método se hace en computadora, puede introducirse el paso de
iteración como una simple rutina. Deben usarse algunos criterios
en la rutina, basados en la diferencia deseada entre el valor Ps L
calculado y el valor dado por el párrafo c; esta diferencia se usa
para detener el proceso de iteración.
8. Calcular la pérdida del circuito de armadura P Cu y la de escobilla Pb (si se trataron separadamente).
9. Calcular la pérdida de devanado de campo Pr .
10. La eficiencia del motor es
Predicción de características de operación 229
(5.34)
11. La entrada de potencia requerida para las condiciones de salida
supuestas es, desde luego, el denominador de (5.34).
12. El voltaje terminal de armadura, si no se considera la reacción de
inducido, es
(5.35)
donde Ra se corrigió para una elevación de temperatura e incluye la caída de escobilla. Esta caída puede tratarse independientemente como se indicó en la sección 5.8.
13. Es posible incluir los efectos desmagnetizantes de la reacción de
inducido en vez de usar (5.35), si se conocen los ampere-vueltas
de armadura desmagnetizan tes. Este es un parámetro difícil de
calcular numéricamente, puesto que varía con la saturación del
circuito magnético de la máquina. Puede obtenerse sólo después
de pruebas de carga extensas, en virtud de los efectos desmagnetizantes de la reacción de inducido. Este parámetro tiende a
frustrar los intentos de la técnica descrita, que se orienta a predecir operación con el uso sólo de datos de prueba en regímenes
sin carga y en cortocircuito. Por consiguiente, si van a considerarse los efectos desmagnetizantes de reacción de inducido, junto con el método en cuestión, deben usarse valores estimados
para este parámetro, o utilizar pruebas con carga completa.
Para introducir los efectos de reacción de inducido ~n este método, debe expresarse la abscisa de las curvas del párrafo b en ampere-vueltas. La corriente de campo supuesta en el paso 3 puede
entonces expresarse como un valor supuesto de ampere-vueltas.
Agregar a este valor el valor supuesto de ampere-vueltas desmagnetizan tes de reacción de inducido RI. Determinar un nuevo
valor E de las curvas del párrafo b, para introducirlo en (5.35) y
determinar así V. Observar que E se utilizó aún para determinar
las pérdidas magnéticas del paso 3 y la corriente de armadura del
6, pues la pérdida magnética y el voltaje inducido son funciones
del flujo (no de la fmm). Sin embargo, la verdadera corriente de
campo requerida ahora debe ser
(5.36)
Este nuevo valor I' f de corriente de campo debe usarse para
calcular las pérdidas por devanado de campo del paso 9.
23 O La máquina con conmutador para C. C.
40
30
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20
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E
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500
1000
1500
2000
2500
Velocidad de la flecha (rpm)
FIGURA 5.24 Pérdida mecánica en una máquina de 1 HP.
250
200
~
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- 875 rpm
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O
100
200
300
400
500
Corriente de campo (mA)
FIGURA 5.25 Pérdida magnética y voltaje inducido en una máquina de 1 HP.
Predicción de caracten'sticas de operación 231
20
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3
4
5
la (A)
FIGURA 5.26 Pérdida por carga parásita en una máquina de 1 HP.
14. Repetir los pasos 3 a 13 para otros valores de corriente de campo
(o ampere-vueltas si va a incluirse la reacción de inducido).
15. Repetir los pasos 1 a 13 para otros valores de par de salida y velocidad.
Esta técnica de predicción de operación sencilla requirió muchas palabras para describirse, aunque necesita realmente poco tiempo para sus
cálculos, aún hechos a mano si las curvas de los párrafos a b y e están disponibles. Sin embargo, dado que esta técnica puede llevarse fácilmente a
cálculos por computadora, es conveniente hacerlo así siempre que sea factible.
Ejemplo 5.5
Un motor excitado separadamente tiene las siguientes especificaciones: 1HP,
220 V 4.6 A 1750 rpm y 350 mA de corriente de campo. La resistencia de
armadura es de 4.8 ohms, incluyendo correción por temperatura; la de campo es de 630 ohms. Las pruebas de laboratorio dieron como resultado la
información de pérdidas·y la curva de magnetización mostradas en las figuras 5.24 a 5.26. Determinar el voltaje de armadura de entrada requerido,
la potencia de entrada y la eficiencia cuando se opera para suministrar el
par nominal a la velocidad estipulada.
El par nominal, aunque no se requiera para las soluciones de este problema, puede determinarse mediante las ecuaciones (5.30) ó (5.31), con
un valor de 3.0 libra-pie o 4.06 Nw-m. La potencia de salida, en W, es 746.
232 La máquina con conmutador para
ee
Sígase el procedimiento anterior delineado en los pasos 1 a 15. De la figura 5.24 (párrafo a), la pérdida mecánica a la velocidad estipulada es 26 W.
De la figura 5.25 (párrafo b) la pérdida magnética, en la corriente de campo estipulada, de 350 mA, es 22 W. De la figura 5.26 (párrafo e), suponiendo que la corriente de armadura se estipulara en 4, 6 A, la pérdida por
carga parásita, a la velocidad estipulada, sería de 17 W. La potencia electromagnética es, por consiguiente, 746 + 26 + 22 + 17 = 811 W. De la figura 5.25, el voltaje inducido, para 350 mA, es 192 V, dando una corriente
de armadura de 811/192 = 4.25 mA. Este valor es lo suficientemente cercano al valor supuesto que se usó para determinar la pérdida por carga parásita, así que no se requiere una iteración. La caída de voltaje es 4.25 X
4.8 = 20. 4V; la pérdida por cobre de armadura es 4.25 2 X 4.8 = 87 W y la
de cobre de campo es 0.35 2 X 630 = 77 W. La entrada de potencia es 811
+ 87 + 77 = 975 W. La eficiencia es 746/975 ó 77%.
5.12 CARACTERISTICAS DE LAS MAQUINAS DE CONMUTADOR
EN C. C.
Se presentarán ahora con más detalle las configuraciones de máquinas con
conmutador en c.c. más comunes.
5.12.1. Motores en serie
El motor en serie ha sido, por muchos años, el principal dispositivo de tracción eléctrica y se usa aún ampliamente en vehículos eléctricos, trenes
eléctricos, tranvías, grúas industriales elevadas, motores de arranque automotrices y en otros. El par más elevado por unidades de corriente de entrada puede obtenerse con un motor en serie. Esta característica es obvia
observando las ecuaciones de par (5.18) ó (5.22).
Si se conecta en serie el devanado de campo con el de armadura, las
corrientes de campo y armadura se hacen iguales y la ecuación de par puede expresarse como
T=Km /2a
(5.37)
donde Km es una nueva constante relacionada con la de armadura de la
ecuación (5.18) Y con la característica del circuito magnético. En valores
de corriente que no conduzcan a condiciones de saturación del circuito
magnético, el par de un motor en serie varía con el cuadr.adQ_de la corri~llt~ de arllladura,. Arriba de la saturación, varía con la primera potencia
de la corriente de armadura, como en una máquina en paralelo o excitada
separadamente. La ecuación (5.37) se aplica para la región no saturada de
operación del circuito magnético. En la figura 57 se muestran las caracte-
Caracteristicas de las máquinas de conmutador en
c.e
233
~
'"
a..
t
~Velocidad
FIGURA 5.27 Característica velocidad-par de un motor en serie.
rísticas generales de un motor en serie excitado con una fuente de voltaje
constante.
Una característica indeseable del motor en serie es su tendencia hacia
velocidades excesivas con cargas ligeras. Esto puede verse mejor en la ecuación (5.24). Si la máquina se carga ligeramente, la corriente de armadura
es pequeña. En una máquina en serie, es pequeño por consiguiente el flujo
de campo en serie, lo que conduce a un valor pequeño para el denominador
de (5.24) y requiere un valor elevado de velocidad mecánica w m . Esto es
una causa frecuente de "desbocamiento de la máquina" en los laboratorios
típicos escolares.
5.12.2 Motores excitados separadamente
Esta es la forma más versátil del motor con conmutador en C.C., como se
mencionó antes en este capítulo. La máquina excitada separadamente tiene la capacidad de controlarse en armadura y campo, lo que implica un
control independiente de velocidad y par. El sistema Ward-Leonard constituyó una forma primitiva de explotar esta característica y se usa aún profusamente en aplicaciones de alta potencia que requieren control de par
-y velocidad variables, como en las laminadoras de acero y aluminio.En la
figura 5.28 se da una representación esquemática de sistema Ward-Leonardo La configuración excitada separadamente se adapta en forma especial para control con retroalimentación. Por ejemplo, pueden compensarse
los efectos de reacción de inducido desmagnetizan tes y las caídas de resistencia de armadura y de escobilla con una excitación de campo incrementada.
Una característica común velocidad/par que se usa en muchas aplicaciones de velocidad variable se muestra en la figura 5.29. Esta característica
tiene dos secciones: una sección de par constante en velocidades bajas hasta la "velocidad de corte", N b , y una de potencia constante en velocidades
arriba de la velocidad de ruptura. La máquina excitada separadamente se
234 La máquina con conmutador para e.e.
n
n
Motor
Generador
FIGURA 5.28 Diagrama esquemático de un sistema Ward-Leonard.
~
lO
o..
t
---=- Velocidad
FIGURA 5.29 Característica par-velocidad de un motor de tracción.
opera a menudo de esta manera, usando el sistema Ward-Leonard o diversos
tipos de controles electrónicos. En la región de par constante, la operación
se encuentra por lo general en un valor constante de excitación de campo
(la excitación máxima en esta región determina la capacidad de par máximo). Se realiza el control de par gobernando al voltaje de armadura (o corriente).
En las regiones de potencia constante en velocidades mayores, la corriente de armadura se mantiene constante y el par y la velocidad se hacen
variar modificando la corriente de campo o "por debilitamiento de campo".
Estos dos modos de operación se refieren a las ecuaciones (5.15) y (5.21).
Por ejemplo, potencia electromagnética constante implica que
P = E/a = K¡ /¡ Wm/a = constante
(5.38)
Si se mantiene constante la corriente de armadura en (5.38), debe
mantenerse constante el producto Ifw m , indicando una relación inversa
entre velocidad y corriente de campo. Esta es la situación real en la re-
Caracteristicas de las máquinas de conmutador en
e.e.
235
gión de potencia constante de la figura 5.29 y se traduce en la característica parabólica por arriba de la velocidad de corte, pues como se vio en
la ecuación (5.22), el par decrece con If (o inversamente con w m ). La velocidad, el par y la excitación requerida para la velocidad de ruptura determinan las dimensiones de un motor que se diseñe para satisfacer este tipo
de características.
Una comparación de las características del motor en serie y del excitado separadamente, según las figuras 5.27 y 5.29, indique que hay mucha
semejanza entre ambas. El segundo es capaz de controlar los dos extremos
de la caraterística -para velocidades muy bajas y muy altas que son relativamente incontrolables en la configuración en serie directa. No obstante,
debe añadirse que con control de voltaje de armadura variable, la característica velocidad/par del motor en serie puede hacerse semejante a la de la
figura 5.29.
5.12.3. Generadores excitados separadamente
En la actualidad se usan principalmente como fuentes de excitación para
alternadores síncronos grandes en estaciones generadoras de potencia, como el generador de control en sistemas Ward-Leonard, y como fuentes de
potencia auxiliares y de emergencia. El generador excitado separadamente
posee toda la flexibilidad de control del motor excitado separadamente.
Una característica importante utilizada para especificar un generador y su
control de excitación es la regulación de voltaje. Esta regulación es una
medida de la variación en voltaje de salida de generador con carga, y se define como
.,
.
regulaclOn en porcentaje
=
V (sin carga)- V (carga)
V()
carga
X
100
(5.39)
En un generador excitado separadamente, el término carga es sinónimo de
corriente de armadura.
La regulación de voltaje se especifica usualmente en términos de carga
completa o condición de carga nominal, aunque la fórmula anterior se aplica a cualquier otra carga. La variación de voltaje con carga en un generador excitado separadamente proviene de do!! causas: caída de voltaje por
resistencia de armadura y los efectos desmagnetizantes de la reacción de
inducido. Con un valor fijo de excitación de campo, una característica de
voltaje típica se puede asemejar a la mostrada en la figura 5.30. La caída
de voltaje con carga creciente se puede eliminar al aumentar adecuadamente la excitación de campo. Esto se hace en general mediante un sistema de
control con retroalimentación, usando el voltaje de armadura como la señal de retroalimentación.
.
236 La máquina con conmutador para
e. e.
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In,
____ Corriente de armadura
FIGURA 5.30 Característica de voltaje de un generador.
5.12.4. Máquinas en derivación
Los términos campo en derivación y campo excitado separadamente se usan
en forma intercambiable en la práctica. Sin embargo, en este texto se.han
hecho distinciones entre ellos y se les ha tratado como dos configuraciones
diferentes de máquina. La designación "máquina en derivación" se refiere
a la configuración en la cual el campo está permanentemente conectado en
paralelo (o "en derivación") con la armadura, como se muestra en la figura
5.15b, sin resistencia variable en serie con el campo. La máquina en derivación obviamente carece de la flexibilidad en control de la excitada separadamente que se analizó en las dos secciones previas. En la sección 5.5 se
vio sucintamente el generador en derivación o autoexcitado. Los motores
en derivación se usan en aplicaciones automotrices donde no se requiere
un control preciso de velocidad y par.
;R-~-En la figura 5.31 se muestra la relación par velocidad para un motor
en derivación típico. La característica declinante velocidad versus par se
origina por la caída de voltaje en la resistencia de armadura y por la reacción de inducido. En cierto valor de par, generalmente en uno alrededor
de 2.5 veces el nominal, llega a ser excesiva la reacción de inducido, originando un descenso rápido en el flujo de campo y una declinación acelerada
en el par desarrollado hasta caer en una condición obstaculizada. Esta caída brusca en el par desarrollado, que conduce a menudo a operación inestableen sobrecargas elevadas,puede suavizarse considerablemente agregando
un devanado de campo en serie, conectado así con el circuito de armadura.
A una configuración de esta forma se le llama devanado estabilizador aunque, opuestamente a su nombre, produce una gran variación en velocidad
dentro del rango normal de par operante. En la figura 5.31 se muestra
además esta característica. A una configuración de este tipo se le llama
motor compuesto. Los motores en derivación y compuesto se utilizan
donde se requiere una característica velocidad versus par razonablemente
constante y donde el costo de control de campo no se justifica.
Características de las máquinas de conmutador en
e.e.
DerIvación
ro
Il.
t
Compuesto
acumulativo
- - - Velocidad
FIGURA 5.31 Característica par velocidad de motores en derivación y compuestos.
ro
Il.
t
---Velocidad
FIGURA 5.32 Característica par-velocidad de un motor de control.
5000
4000
E
e-
u
ro
3000
:2
.
>
<J
~
2000
1000
o
(7)
o
40
Par (onz. Pulg.)
FIGURA 5.33 Características velocidad-par de motores en serie de 12 v con
imán permanente.
237
238 La máquina con conmutador para C. C.
5.12.5 Motores de control
Los motores de control son motores de capacidad de potencia relativamente baja (generalmente menor que algunos centenares de Watts) con excitación de campo fija. Esta excitación de campo fija añade otra variación a la
ecuación básica de par (5.22):
T=KJa
(5.40)
donde Kc es una nueva constante en Nw-m/Amp. Los motores de control
tienen corriente de armadura relativamente alta para disminuir los efectos
de reacción de inducido y proporcionar una relación lineal entre voltaje y
par, que es la base para las aplicaciones como dispositivo de control. La relación deseada velocidad-par de un motor de control puede demostrarse
que es una degeneración de la característica del par de motor en derivación
ilustrada en la figura 5.31, que resulta en virtud de un aumento considerable en la resistencia de armadura, como se muestra en la figura 5.32. Esta
y la 5.33 muestran las características físicas de varios tipos de motores de
control.
La excitación de campo se obtiene mediante imanes permanentes o
por devanado de campo.
Un parámetro importante en motores de control es la inercia del elemento rotatorio, que debe reducirse al mínimo para permitir una respuesta
rápida a los cambios escalón en la función de control de entrada. Un parámetro de utilidad para evaluar los motores de control es la razón par/inercia, que se calcula por lo general usando el par obstaculizado de motor (el
par en el cual la característica par/velocidad corta la ordenada en la figura
5.32).
5.12.6 Motores con imán permanente
El empleo de excitación con imán, en vez de devanados de campo excitados eléctricamente, ofrece ciertas ventajas en máquinas con conmutador
en c.c. y presenta ciertos riesgos. En máquinas sumamente pequeñas, la
excitación con imán permanente se traduce casi siempre en un costo de
manufactura más bajo. En la medida en que la dimensión de la máquina
crece, la ventaja en costo por lo general se reduce, dependiendo de la aplicación específica. Los motores comerciales con imán permanente se construyen en dimensiones de 5 HP y mayores.
La eficiencia de una máquina con imán permanente es generalmente
mayor que la de una máquina con devanado de campo, en virtud de la eliminación de la pérdida eléctrica de campo. En algunos casos, una máquina
con imán permanente puede ser menor que una con devanado de campo
de igual capacidad de potencia. Además, donde no se necesita campo de
Caracteristicas de las máquinas de conmutador en
e.e.
239
control, el uso de excitación con imán permanente simplifica la construcción de la máquina y elimina dos terminales eléctricas y su alambrado
asociado.
Los problemas y riesgos de usar excitación con imán permanente incluyen:
1. El imán de campo puede desmagnetizarse por la fmm de la reacción
de inducido, dando lugar a que la máquina deje de operar. La desmagnetización puede provenir de un diseño inadecuado, de una
corriente de armadura excesiva originada por una falla o por un
transitorio, o bien por una conexión inadecuada del circuito de armadura; también influyen un desplazamiento impropio de escobillas y los efectos de la temperatura.
2. Las densidades de flujo en las que pueden operar los imanes permanentes (ver tabla 2.2) conducen a densidades de flujo de entrehierro mucho menores que las densidades correspondientes en las
máquinas con devanado de campo. Esto es particularmente cierto
para los imanes de ferrita (cerámica) que son la clase de costo más
bajo entre los imanes permanentes y los más utilizados en aplicaciones de máquina. De esta manera, se necesita un incremento en
la dimensión de armadura (en comparación con una máquina con
devanado de campo de la misma capacidad) para compensar la dimensión reducida del imán en relación al tamaño de campo con
devanado.
La característica velocidad contra par de un motor con imán permanente es más plana que la de un motor en derivación, pues el flujo del imán
permanente sufre menos los efectos de la fmm de reacción de inducido
que el flujo de una configuración de polo con devanado. La figura 5.33 ilustra las características velocidad contra par de una serie de motores con imán
permanente de 12 V, 3" de diámetro y longitud variable. Este tipo de motor se energiza con baterías y se usa en aplicaciones automotrices como ventiladores de calefacción y de acondicionadores de aire, bombas eléctricas
de combustible, arrancadores de motores marinos, sillas radiales y herramientas de potencia sin cordón.
El diseño y aplicación de un motor con imán permanente se asemejan
a los de los motores con devanado de campo salvo en lo que concierne a la
consideración de fmm desmagnetizante de reacción de inducido. El diseño
debe garantizar que bajo cualquier condición previsible de operación, incluyendo condiciones de fallas, no se desmagnetizará el imán permanente.
La desmagnetización del imán proviene de la reacción de inducido magnetizante cruzada debajo de las caras de polo, que se describió en la sección
5.6 y se ilustró en la figura 5.19. Como se observó en aquella sección, la
240 La máquina con conmutador para
ee
reacción de inducido ayuda al flujo principal debajo de una mitad de la cara de polo y se le opone debajo de la otra mitad. En un motor, la fmm
opositora ocurre en lo que se denomina "borde de cola" del polo; esto es,
la mitad de la cara del polo sobre la cual pasa al final un conductor de armadura al girar a través del claro de polo.
Es esa la fmm que tiende a desmagnetizar al imán. El máximo efecto
de reacción de inducido tiene lugar en el nivel máximo de corriente de armadura que existe en un motor en la condición de arranque u obstaculizado con máximo voltaje de armadura aplicado. La fmm de reacción de
inducido de borde de cola es, de acuerdo con (5.25),
fmmbc = (conductores debajo
21
.
cara de polo) X Istl A
(5.41)
donde 1st es la corriente de armadura de arranque u obstaculizada con el
voltaje máximo de armadura aplicado. La intensidad de campo magnético
resultante de esta fmm es
H =
mmfbc
be (1m + Ig)
(5.42)
donde 1m y. 19 son las longitudes radiales del imán (polo) y del entrehierro
respectivamente. Utilizando las unidades normalizadas del SI, estas longitudes se expresan en metros, y H tc quedará en Alm. Todavía es práctica
común expresar las características de los imanes permanentes en unidades
cgs (H en oersteds y B en Gauss). Por consiguiente, puede desearse convertir H sc de la ecuación (5.42) en unidades cgs:
H(O )= H(A/m)
e
79.577
(5.43)
En el capítulo 2 se hizo un análisis de un sistema magnético permanente con un entrehierro variable y se ilustró con la figura 2.17. En la sección 2.11 y en la figura 2.17 se mostró que un aumento en el entrehierro
o la permeancia externa al imán permanente daba lugar a un efecto desmagnetizante sobre el imán. El efecto desmagnetizante de la reacción de
inducido es un fenómeno semejante, aunque requiere un análisis gráfico
diferente al mostrado para la desmagnetización por entrehierro variable
en el capítulo 2. Las variaciones en la permeancia del circuito magnético
externo cambian la pendiente de la línea de operación DA de la figura 2.17,
mientras una fmm desmagnetizante aparece como componente de la intensidad de campo magnético a lo largo de la abscisa de la figura 2.17.
Para ilustrar este análisis, en la figura 5.34 se muestra la característica
desmagnetizante de imán permanente de un imán de cerámica. Puede suponerse que el entrehierro de un motor con imán permanente es constante
Cllracteristicas de las máquinas de conmutador en C. C. 241
para todas las posiciones de rotor. Se supondrá que el entrehierro produce
la permeancia del circuito para dar la línea de operación OA con pendiente aA de la figura 5.34. En esta figura se muestra además la curva de desmagnetización intrínseca. La inducción intríseca (densidad de flujo magnético) se define como 9 "la diferencia de vectores, en un punto dentro de un
cuerpo magnético, entre la inducción magnética en ese punto y la que existiría en el vacío bajo la influencia de la misma fuerza magnetizante" y se
expresa por la ecuación.
(5.44)
La inducción intrínseca se define también como la contribución del material magnético sólo a la inducción magnética total. En un material homogéneo y lineal, la diferencia vectorial (5.44) puede reemplazarse por una
diferencia algebraica.
En el segundo y tercer cuadrante del ciclo de histéresis para un material magnético, H es negativa y el proceso de sustracción indicado por ( 5.44)
se convierte en suma. Por consiguiente, en el segundo cuadrante, la curva
de desmagnetización intrínseca se encuentra arriba de la curva de desmagnetización normal. La primera puede obtenerse fácilmente cuando se gra-
4.0
---
3.0
~
:;¡
2.0
E
<1:)
1.0
1000
500
H (Oe)
FIGURA 5.34 Curva BH de un imán permanente.
242 La máquina con conmutador para C. C.
fica la segunda en unidades cgs, pues en este sistema, J.l.o = 1, Y un punto
de la curva intrínseca puede obtenerse a partir de cualquier punto de la
normal con coordenadas Bd y H d , según la relación.
(5.45)
De aquí se ve que para materiales con fuerza coercitiva sumamente grande (como ferritas y aleaciones de cobalto-tierra rara), la curva de desmagnetización intrínseca diferirá considerablemente de la normal.
La construcción gráfica para evaluar los efectos desmagnetizantes de
la reacción de inducido en un imán permanente se explicará ahora con la
ayuda de la figura 5.34. La aplicación de una intensidad de campo magnetizante Ha externa da lugar a que la línea de operación OA se corra a la
izquierda paralelamente a sí misma, hasta una nueva posición MB, siendo
B el punto donde la nueva línea de operación corta a la curva intrínseca.
La proyección vertical del punto B sobre la curva normal, punto B', da la
densidad de flujo que existiría en presencia del campo magnético externo.
Si este campo externo se removiera, el punto de operación no regresaría a
lo largo de la curva normal, sino más bien a lo largo de un ciclo de histéresis menor hasta el punto e', que es la proyección del punto e sobre la línea de operación odginal.
Si se volviera a aplicar el campo magnético externo, el punto de operación regresaría a B' en la parte superior del ciclo de histéresis menor. La
pendiente media de este ciclo se determina por la característica de imán
permanente, conocida como permeabilidad de rebobinado, definida en la
sección 2.11. Esta pendiente es muy cercana a la unidad para imanes permanentes de cerámica, implicando que la línea B'e' sea casi horizontal en
la figura 5.34. Esto significa que la variación de densidad de flujo en un
motor con imán de cerámica, originada por la reacción de inducido magnetizante, es pequeña en comparación con la de un motor con devanado de
campo.
Si con el desplazamiento de la línea de operación Ha es mayor que
H e /, la mitad del borde de cola del imán se desmagnetizará. En la realidad,
Ha debe ser considerablemente menor que Hci para proporcionar un margen de seguridad que tomen en cuenta las variaciones de la curva de desmagnetización con la temperatura, con los cambios en otras constantes
materiales, con las inexactitudes en los cálculos de diseño, con las variaciones menores de entrehierro por soporte de cojinete y con otros factores.
La referencia sugiere que si Ha = H te , la intensidad de campo resultante
en virtud de la máxima fmm de borde de cola por reacción de inducido
(ver (5.42)), la línea MB de la figura 5.34 sería tal que B = 0.8 Br, donde
Br es la densidad de flujo residual.
Dinámica de las máquinas con conmutador en e e
243
5.13 DINAMICA DE LAS MAQUINAS CON CONMUTADOR EN C. C.
Al igual que en el caso del establecimiento de las relaciones de estado estacionario, las ecuaciones dinámicas variarán en cierta forma, dependiendo
de las configuración de la máquina específica, ya se trata de una serie o una
en derivación, del tipo de fuentes de voltaje y cargas, etc. La mayor parte
del estudio que sigue se basa en la configuración excitada separadamente
(figura 5.35). Para establecer las ecuaciones dinámicas, ésta es la configuración más general y pueden modificarse para utilizarse en otras configuraciones. Las letras minúsculas representan funciones del tiempo o parámetros
que varían con él.
Al sumar voltaje en el circuito de armadura, se obtiene
.
dia
va = e + laRa + La dI
(5.46)
(5.47)
donde La es la inductancia de armadura en Hy. La ecuación (5.46) se estableció para operación como motor. Para describir la operación como generador, se cambian los signos de La y de di a ¡dt. La similitud entre estas
ecuaciones y sus contrapartes en estado estacionario (5.23) y (5.15), debe
ser evidente para el lector. Al sumar voltaje en el circuito de campo, se tiene
(5.48)
La inductancia de circuito de campo Lf{if) se indica como función no lineal de if para mayor generalidad al conjunto de ecuaciones. Esta función
no lineal se relaciona con la curva de magnetización de la máquina o con la
característica flujo-ampere-vuelta del circuito magnético de la máquina. Al
sumar los pares que actúan sobre la flecha del motor, se obtiene
(5.49)
(5.50)
donde D es un coeficiente de amortiguamiento viscoso que representa un
par de pérdida rotacional en Nw-m-seg.; J es el momento de inercia del sistema rotatorio total, incluyendo al rotor, carga y flecha, expresando en
kg-m o en Nw-m-seg 2 y T L es el poder de carga en Nw-m.
La ecuación (5.49) se estableció para operación como motor. Para
describir la operación como generador, se invierten los signos de T d Y T L •
244 La máquina con conmutador para
e.e.
+
L,
n"
,(
+
FIGURA 5.35 Diagrama esquemático para análisis dinámico.
Un coeficiente de amortiguación líneal representa otra linealización usada
en análisis de máquinas. El par de carga T L es una función del tiempo, aunque aparezca con letra mayúscula aquí, lo cual se hace para evitar confusión
con el símbolo para el tiempo. El conjunto de ecuaciones para la máquina
con conmutador en c.c. es no lineal, no sólo por los coeficientes no lineales como Lf y problemente D, sino además por el término producto en las
expresiones de par y voltaje (5.47) y (5.50).
Las ecuaciones (5.46) y (5.50) proporcionan un conjunto de ecuaciones de estado de utilidad en el análisis de un gran número de problemas de
máquina. Con el objeto de aplicar estas ecuaciones, deben introducirse
de una manera análitica las condiciones físicas del problema específico. Estas condiciones incluyen valores numéricos para los coeficientes del circuito: las Rs, Ls, D y J; descripciones de los tres términos de entrada va' V f y
T L Y condiciones iniciales para las variables de estado. Las condiciones incluyen también modificaciones de las ecuaciones para ajustarlas a la configuración del circuito del problema específico ;por ejemplo, una modificación
para excitación de campo en serie. Debe dilucidarse el significado relativo
de las no linealidades y desarrollarse técnicas matemáticas para manejarlas.
Antes de proceder con algunos ejemplos sencillos de aplicación de estas
ecuaciones, se hará una disquisición breve sobre sus implicaciones físicas.
La ecuación (5.49) es útil para comprender el mecanismo mediante el cual
se carga una máquina con conmutador en c.c. Para el efecto, es conveniente reagrupar (5.49) de la manera siguiente:
(5.51 )
Considérese en primer término la operación como motor. El arranque del
motor sólo es posible si el par electromagnético T d es mayor que el de carga TI~' Al arrancar, la velocidad es cero y la diferencia entre estos dos pares
Dinámica de las máquinas con conmutador en e.e. 245
determina la aceleración inicial de la máquina. Los motores con conmutador en c.c. son capaces de desarrollar pares de arranque sumamente elevados
(como se denomina al par en cero velocidad) y se utilizan con frecuencia
en virtud de esta capacidad. Mientras el primer miembro de (5.51) sea mayor que el segundo, el motor continuará con aceleración.
Se alcanza una condición de equilibrio cuando T d - T L = D w ro , siendo en este instante cero la aceleración y el motor opera a velocidad constante. Esta situación se muestra en la figura 5.36 para dos diferentes tipos
de pares de cargas. Si se hace negativo el primer miembro de la ecuación
(5.51), lo que puede ocurrir si el par de carga se incrementa o el electromagnético se aumenta arriba de sus valores en la velocidad de equilibrio, el
segundo miembro debe ser también negativo. Esta situación se alcanza mediante una aceleración negativa, esto es, una desaceleración que haga que la
velocidad disminuya hasta una nueva condición de equilibrio. El proceso
de carga y variación de velocidad es, en general, un proceso estable en máquinas con conmutador en C.C., salvo durante condiciones de excitación
de campo muy baja o de reacción de inducido excesiva con valores bajos
de par de carga, que puede traducirse en una velocidad excesiva.
5.13.1 Arranque de motor
El arranque y la condición obstaculizada deben considerarse en el uso de
la máquina. La obstaculización puede presentarse si T L en (5.51) es demasiado grande o como resultado de una diversidad de fallas en la máquina o
en sus controles. En arranque u obstaculización, la fcem del motor es cero
y la corriente de armadura es igual al voltaje aplicado dividido entre la resistencia de armadura. Esta condición lleva a tener una corriente de armadura
excesiva en comparación con la corriente nominal para el conjunto escobilla/conmutador y el devanado de armadura.
Puede tolerarse una situación tal sólo durante unos segundos en la
mayor parte de las máquinas, antes de causar un daño permanente en algunas componentes de la máquina. En muchas máquinas que usan control
de voltaje de armadura se evita esta situación mediante circuitos de control, los cuales incluyen señales de retroalimentación de corriente de armadura. En máquinas con diagramas de control sencillos, generalmente se
agrega una resistencia de armadura en el arranque para limitar la corriente
de armadura a valores de seguridad. El arranque de motor con conmutador
en c.c. está formadó por pasos discretos de resistencia y tienen posibilidad
de conmutar a varios valores de resistencia para controlar la corriente de
arranque y el par.
5.13.2 Frenado regenerativo y dinámico
La característica más útil de las máquinas con conmutador en c.c. es su capacidad para pasar en forma continua de operación motor a generador y
246 La máquina con conmutador para C. C.
..
lO
Q.
t
FIGURA 5.36 Característica de par de carga y de motor.
viceversa. Esta es una de las razones por las que sigue usándoseles profusamente como dispositivo de tracción, a pesar de sus desventajas evidentes
debidas al montaje conmutador/escobilla. En la mayoría de las aplicaciones de tracción se pierde mucha energía en el proceso de frenado o desaceleración del vehículo. Esta energía se transforma en calor en las zapatas o
bandas de freno. Existen dos esquemas para eliminar el desgaste de las
componentes de frenado en aplicaciones de tracción donde se utilicen máquinas de conmutador en c.c; una es e', frenado dinámico. La energía cinética de un vehículo en movimiento se amortigua en una resistencia mediante
la acción de una máquina de conmutador en c.c. como generador. En el
frenado regenerativo, también muy valioso como esquema para economizar energía, la energía cinética se almacena en una batería, volante u otro
tipo de sistema de almacenamiento de energía, mediante la acción de la
máquina como generador.
Hay un tercer tipo de frenado eléctrico, empleado algunas veces en
motores industriales con conmutador en C.C., como grúas elevadas o motores
de camiones de carga ligeros, que se conoce como obturación. Involucra
una inversión repentina de las conexiones, ya sea del devanado de campo o
de armadura, durante la operación motor, que da lugar a un par de dirección opuesta desarrollado en gran escala. En este caso, se disipa la energía
cinética del sistema en movimiento en la resistencia de armadura. Este esquema de frenado requiere un montaje escobilla/conmutador sobrediseñado
y devanados de armadura pesados. El frenado eléctrico de cualquier tipo
se hace menos efectivo en la medida en que decrece la velocidad, pues decrece el par cuando la velocidad se aproxima a cero. Por consiguiente, se
requiere generalmente frenos convencionales de mando mecánico o hidráulico con el frenado eléctrico.
Dinámica de las máquinas con conmutador en C. C. 247
En el frenado regenerativo sólo una parte de la energía cinética está
disponible para cargar una batería o un volante, pues una porción de ella
se disipa por pérdidas de devanado, de rozamiento del motor y vehículo,
y en pérdidas eléctricas del motor durante la desaceleración. Por lo tanto, la
efectividad del frenado regenerativo, como medio de conservar energía en
aplicaciones de tracción, se rige por la eficiencia en energía de las componentes eléctricas en el tren de impulsión. Se ha demostrado que alrededor
de un 35% de la energía entregada a un vehículo automotriz durante su
uso urbano típico es teóricamente recuperable mediante frenado regenerativo. Cuando se reduce esta energía en la cantidad necesaria para compensar las pérdidas del sistema eléctrico y las mecánicas del vehículo,
alrededor del 10 al 15% del suministro de energía al vehículo puede recuperarse y almacenarse en baterías, volantes y en otros dispositivos. El
valor exacto de la energía recuperable depende del tipo de conducción, de
la eficiencia del tren de impulsión, de la razones de engranado en el tren
de impulsión y de otros factores.
El frenado dinámico, esto es, la disipación de energía cinética en una
resistencia externa a un motor de tracción, se describe fácilmente en forma analítica. Para este caso, (5.46) y (5.50) se convierten en
(5.52)
donde r b es la resistencia que se agrega al circuito de armadura para disipar
la energía cinética de frenado:
dW
m
-TL -Td =Dwm - JdI-
(5.53)
Las ecuaciones (5.47), (5.48) Y (5.50) no se modifican para operación motor o generador. La solución de estas ecuaciones, representantes de frenado
dinámico, se propone como problema al final de este capítulo.
El término inercial J y el de amortiguamiento viscoso D son parámetros importantes en el análisis de dinámica de máquinas. Un método experimental sencillo para obtener estos parámetros se conoce como prueba
de retardación. Esta prueba consiste en la medición exacta de la velocidad
del rotor en función del tiempo, cuando se permite que el rotor arriba a
una pausa con excitación nula de armadura o campo. La velocidad se mide
óptimamente con un tacómetro que dé un voltaje proporcional y registrando este voltaje en una grabadora de cinta.
En la figura 5.37 se muestra una característica típica de retardación
en velocidad. Pueden obtenerse los parámetros de esta prueba mediante
(5.53). Durante el arribo a una pausa sin excitación de campo o armadura
y sin par de carga, (5.53) se hace
248 La máquina con conmutador para
e.e.
dWm
Dwm = JdI-
(5.54)
Al multiplicar ambos miembros de la ecuación (5.53) por la velocidad mecánica w m se obtienen dos termino s de potencia:
(5.55)
"O
ro
:E
()
E
>
t
___ Tiempo
FIGURA 5.37 Velocidad contra tiempo en una prueba de retardación.
El primer miembro de la ecuación (5.55) es la pérdida mecánica de la máquina y el derecho es la razón en que se suministra energía cinética al sistema rotatorio.
La inercia se encuentra tomando un cierto valor de velocidad, determinando las pérdidas mecánicas en esta velocidad por el método delineado
en la sección 5.9; determinando en seguida la pendiente velocidad-tiempo
para ese valor de velocidad por la prueba de retardación y, finalmente, despejando a J de (5.55). Obsérvese que sólo se requiere la curva de retardación alrededor de la velocidad seleccionada. Puede obtenerse un valor para
el coeficiente de amortiguamiento lineal, para la velocidad escogida, dividiendo las pérdidas mecánicas entre el cuadrado de la velocidad mecánica.
El valor del coeficiente de amortiguamiento variará considerablemente dentro del rango de velocidad de la máquina.
5.13.3 Funciones de transferencia para máquinas con conmutador en c.c.
Volvamos a las ecuaciones (5.46) a (5.50). Existen varios tipos de problemas para los que son aceptables las formas lineales de estas ecuaciones
usándose generalmente los métodos de la teoría del control lineal para estudiar la dinámica de máquinas o para realizar modelos'de máquina dentro
de sistemas mayores. Una configuración en la que se aplican los métodos lí-
Dinámica de las máquinas con conmutador en
ce
249
neales y que se usa mucho en sistemas de control de posición y velocidad,
es el motor con imán permanente o excitado separadamente con excitación
constante.
Para la configuración anterior, la ecuación (5.48) no es necesaria. En
lo que sigue no se tomará en cuenta el par de carga. Aplicando las transfromaciones de Laplace a las ecuaciones restantes, se obtiene
(5.56)
(5.57)
(5.58)
(5.59)
Las mayúsculas para las variables en estas ecuaciones indican la variable
transformada F(s). La nueva constante Ks es el producto Ktlf para las
máquinas excitadas separadamente y un término similar para las de imán
permanente. La constante Ks se obtiene usualmente como la pendiente
de la curva de voltaje en circuito abierto contra velocidad (en rad/seg).
Hay varias maneras de representar estas ecuaciones dentro de la teoría del
control lineal. La representación más simple es un diagrama en bloques
que deja al término de fcem como una señal de retroalimentación -lo que
es en realidad- (ver figura 5.38). Las dos principales constantes de tiempo
de este tipo de máquina, la eléctrica 7 a y la mecánica 7 m , se introducen en
la figura 5.38. Se definen así:
(5.60)
7"
m
J
(5.61)
=-
D
•
En sistemas donde deba considerarse el par de carga, puede modificarse el diagrama de bloques de la figura 5.38 para convertirse en un diagrama de entrada múltiple con T L como la segunda entrada. Esto se ilustra
en la figura 5.39. A menudo es más conveniente escribir la dinámica del
motor combinando la ecuación (5.56) con la (5.59):
Qm
Ks
Va
K}+ RaD+s(LaD+ RaJ)+s2JLa
(5.62)
Puede obtenerse una expresión semejante con T L como la función de entrada. Las constantes de tiempo se obtienen experimentalmente por me-
250 La máquina con conmutador para e.e.
FIGURA 5.38 Diagrama de bloques de un motor con excitación constante.
diciones de respuesta en frecuencia. Se obtienen al factorizar el denominador
de (5.62) y no en forma explícita como las darían las ecuaciones (5.60) y
(5.61). Para aplicaciones de control de posición, puede introducirse la función e de posición angular en las ecuaciones (5.56) a (5.59), mediante la
relación !2 m = se. La función completa de transferencia del motor se
convierte entonces en
e
K,
Va = s[K/+RaD+s(LaD+RaJ)+s2JLa]
(5.63)
Esta misma configuración se usa con frecuencia como generador en
forma de tacómetro o dispositivo detector de velocidad. Dado que la salida
de un generador-tacómetro alimenta generalmente a una carga de alta impedancia, como un voltímetro, pueden ignorarse la resistencia e inductancia de armadura y la función de transferencia se hace, de (5.57):
E
n= Ks
(5.64)
m
El generador excitado separadamente puede considerarse como un
amplificador y así se usó anteriormente al advenimiento de los dispositivos
FIGURA 5.39 Diagrama de bloques de un motor con entradas múltiples.
Dinámica de las máquinas con conmutador en C. C. 251
semiconductores de alta potencia. Como amplificador, el generador opera
a velocidad constante y se controla por el voltaje V, de campo de entrada.
Pueden observarse las características amplificadoras regresando a (5.48) y
no considerando las (5.49) y (5.50). Se agregará demás una resistencia R L
en el circuito de armadura y se definirá la salida de amplificador como el
voltaje a través de esta resistencia. Las ecuaciones transformadas para esta
configuración son
(5.65)
E= [(Ra + RL)+sLa)Ia
(5.66)
E=K¡I¡
(5.67)
V¡=(R¡+ sLf)If
(5.68)
Se supuso una inductancia de campo lineal L, y una constante de voltaje
K, con objeto de usar la notación de la teoría de control lineal. Este método es aceptable si el rango de control de campo queda completame'lte
dentro de la región saturada o no saturada de la curva de magnetizació.1 o
si se usan técnicas lineales seccionadamente. Nótese que K, es la pendi( nte
de la curva de magnetización (figura 5.14).
La función de transferencia para este sistema es
VL
K¡(
RL )
Rf R L +Ra
Vf = (1 + ST¡ )( 1+ srL)
L¡
=f
Rf
T
(5.68)
(5.69)
(5.70)
Puesto que R L es generalmente mayor que la resistencia de armadura R A '
se ve qu la ganancia en régimen estacionario de este "amplificador" esK,/R,.
Puede agregarse una segunda etapa de amplificación a este amplificador, cortocircuitando las escobillas de armadura y añadiendo un segundo
grupo de escobilla en un eje a 90 grados eléctricos del eje de escobillas
principal. Es evidente, de las figuras 5.17 a 5.19, que este segundo grupo
de escobillas se halla en la posición adecuada para sacar del devanado de
armadura el voltaje inducido por el flujo de reacción de inducido. Este
252 La máquina can conmutador para
e. e.
es un ejemplo de configuración de máquina en el que la reacción de inducido desempeña una función útil. Se conoce comercialmente en el registro
de marca General Electric como "amplidyne" y posee muchas aplicaciones
como amplificador de potencia. El cortocircuito de las escobillas en la posición normal genera un campo de reacción de inducido muy grande, que
da lugar a que se induzca un voltaje relativamente alto en el segundo grupo de escobillas. En efecto, esto añade un segundo factor Kf a la parte de
ganancia en régimen estacionario de (5.69).
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11. T. A. Murray, "Amplidynes- Sensitive Control Systems for Brute-Force Applica·
tions," Machine Design, Cleveland, Ohio, diciembre 17, 1964 ..
Problemas
5.1
5.2
5.3
Un motor de 10 polos tiene 123 ranuras y se devana en tipo ondulado con dos
bobinas por ranura y cuatro vueltas por bobina. Determinar el factor de armadura Ka y el paso polar ex en grados.
Una máquina de 4 polos, devanada en tipo imbricado, tiene 48 ranuras, con dos
bobinas por ranura y tres vueltas por bobina. Determinar el factor de armadura
Ka y el paso polar ex en grados.
La máquina del problema 5.2 se impulsa a 5 000 rmp y se excita para dar un flujo de 0.015 Wb/polo. Determinar el voltaje inducido de armadura E.
Problemas 253
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
5.10
5.11
5.12
5.13
Determinar, completando los diagramas de devanado de las figuras 5.10 y 5.11, el
número de circuitos eléctricos en paralelo entre las terminales de armadura en cada caso. ¿Se correlaciona su respuesta con las reglas generales dadas en la ecuación 5.2?
El motor del problema 5.1 se opera con un flujo de entrehierro de 0.012 Wb/polo
y una corriente de armadura de 100 A. Determinar el par electromagnético desarrollado.
Un motor excitado separadamente tiene una especificación nominal de 50 hp
440 V Y 3 000 rpm.
a) Determinar el par nominal en Nw-m.
b) Si se supone que la máquina tiene una eficiencia del 85% en su salida nominal
¿cuál es la corriente de armadura a la salida nominal con el voltaje de régimen
aplicado?
Demostrar que las constantes Kt en (5.15) y (5.22) son equivalentes dimensiosionalmente.
Repetir el problema 5.7 para las constantes Ks en (5.57) y (5.59). ¿Cuál es la unidad SI (MKS) para Ks?
En la práctica y en muchas nomenclaturas de placa de motor, las unidades de Ks
en (5.57) se dan en V -seg/rad o sólo V-seg y las de K. en (5.59) en lb-pie/A. Demostrar que las dos unidades son dimensionalmente equivalentes.
El motor caracterizado por la curva (4) de la figura 5.33 tiene una corriente obstaculizada de 42 A (en cero rmp). Determinarla constante de velocidadKs ' ¿Cuál
es el voltaje inducido sin carga (cero corriente o cero par) de este motor?
Una máquina excitada separadamente tiene las características de magnetización
que se muestran en la figura 5.14. La máquina tiene una resistencia de armadura
de 0.1 ohm y una de circuito de campo de 40 ohms. Hay 500 vueltas por polo
en el devanado de campo. Con 120 V aplicados al circuito de campo.
a) ¿Cuál es el valor del voltaje de armadura sin carga o con circuito abierto a
5000 RPM?
b) Si la máquina se opera como generador, con una corriente de armadura de
100 Amp. ¿Cuál es el valor del voltaje terminal de armadura? (Ignora la reacción de inducido).
e) Si la reacción de inducido a 100 Amp, produce una fmm desmagnetizante de
220 A-V/polo, encuentre el voltaje final de armadura con 100 Amp.
El motor del problema 5.10 tiene una resistencia de armadura de 0.4 ohms y se
opera con una fuente de 12 V. Cuando el motor toma una corriente de 10 A,
¿cuál es el valor de la velocidad y del par en que está operando el motor?
Los datos de prueba para una máquina en derivación en 2 400 rpm dieron los
siguientes puntos para la curva de magnetización:
Corriente de campo (A) O 1.0 2.0 2.0 4.0 5.0
Voltaje de armadura (V) 4 75 133 160 172 182
a) Expresar gráficamente este resultado
b) Si va a operarse la máquina como generador en derivación autoexcitado, determinar la resistencia de campo en derivación para obtener un voltaje en régimen sin carga de 150 Ven 2 400 rpm.
e) Determinar la resistencia "crítica" de campo en derivación para la construcción
del voltaje autoexcitado.
254 La máquina con conmutador para e.e.
5.14 Un motor de 120 V, excitado separadamente, desarrolla un par de 20 lb-pie
cuando la corriente de armadura es de 8 A.
a) Determinar la corriente de armadura cuando el par desarrollado sea de 60 lb-pie,
suponiendo que no haya cambio en la corriente de armadura y no considerando la reacción de inducido.
b) Si la velocidad es un 6% más alta con el par de 20 lb-pie que con el de 60,
determinar la resistencia de armadura.
5.15 Un generador compuesto en derivación-larga tiene la curva de magnetización de
la figura 5.14. El campo en derivación tiene 700 vueltas/polo y el serie 5 vueltas/polo. La resistencia del circuito de armadura (incluyendo escobillas) es de
0.08 ohms y la resistencia de campo serie es de 0.005 ohms. A 5000 rpm, determinar el voltaje terminal cuando la corriente de campo sea de 2.0A y la
de armadura 150 A. No tomar en cuenta la reacción de inducido.
5.16 El motor de imán permanente, cuya característica velocidad-par se da aquí como
curva (7) de la figura 5.33, se usa con frecuencia para impulsar ventiladores para
acondicionamiento de aire. Supóngase una característica velocidad- par de ventilador descrita por la ecuación T = 0.15 X 10~ vi, donde T está en Nw-m
y w m en rad/seg. Determinar la velocidad en régimen estacionario a la que el motor impulsará al ventilador. Nota: este problema puede resolverse gráfica o analíticamente. Si se usan técnicas gráficas, conviene retrazar la curva 7 de la figura
5.33 con la velocidad como abscisa. Téngase también presente la diferencia en
unidades entre los datos de la curva 7 y los de la ecuación anterior.
5.17 Un motor serie tiene la característica magnética mostrada en III-1 del Apéndice
III. El campo serie está formado por 6 vueltas/polo y tiene una resistencia de
0.008 ohms. El circuito de armadura, incluyendo escobillas, tiene una de 0.017
ohms. La constante Ka de armadura es 32. Para una cierta carga, la corriente es
de 400A con 24 V aplicados.
a) Determinar la velocidad y el par para este valor de corriente de armadura.
b) Repetir el inciso anterior para corrientes de 200,100 y 50 A, con 24 V.
e) Trazar la características resultante de velocidad-par.
5.18 Las pérdidas mecánica y magnética para el motor del problema 5.17 se determinaron experimentalmente y se muestran en las curvas de la figura 5.40. Determinar la eficiencia de este motor en serie para los cuatro valores de corriente
usados en el problema 5.17. No considere las pérdidas por carga parásita.
5.19 Considérese la máquina descrita en el problema 5.11
a) Determinar la corriente de armadura inicial (t =0), si la armadura está conectada directamente a una fuente de 120 V.
b) Determinar la resistencia que debe concectarse en serie con la armadura a fin
de limitar la corriente de armadura a 200 A.
5.20 Para el motor del ejemplo 5.5, calcular el voltaje terminal de armadura requerido,
la potencia de entrada y la eficiencia cuando
a) se opera como motor para suministrar un medio del par nominal en un medio
de la velocidad estipulada.
b) se opera como generador para suministrar el voltaje terminal nominal con corriente de armadura y velocidad de régimen_
Problemas 255
5.21 Establecer una expresión para la función de transferencia
para el análisis de un motor cuando se tome al par de carga T J, como entrada y
a la velocidad de flecha n." como salida.
800
700
600
~
500
VI
111
:Q
'E
-Q)
11.
400
300
200
100
O~~--~~--~~----~------~----~---Velocidad (rpm)
FIGURA 5.40 Pérdidas en un motor en serie (problema 5.11).
256 La máquina con conmutador para
c.e
5.22 El material de imán permanente usado en un motor tiene un efecto considerable
sobre las características del motor. Para el ejemplo descrito en este capítulo (sección 5.13.6 y figura 5.34) se usó un imán de cerámica (ferrita). 'Este tipo de
material hace que el motor opere con una densidad de flujo de entrehierro relativamente baja, pero que puede soportar niveles relativamente elevados de reacción sin desmagnetizarse. Compara el motor de cerámica con uno que utilice
Alnico VI (figura 5.16 y tabla 2.2) de acuerdo con los pasos siguientes:
a) Trazar la curva de desmagnetización par el Alnico VI. ¿Cuál es H ci para el Alnico VI? Se necesitará también la curva de desmagnetización normal.
b) Se vio que el Alnico VI debe operarse en una razón de permanencia mucho
más alta que el material cerámico (pendiente de la línea OA en la figura 5.34).
Ya que la razón de permeancia es una función de la permeancia magnética del
circuito magnético externo, sobre todo de la longitud del entrehierro, ¿qué
consecuencias tiene sobre la longitud utilizable de entrehierro en el motor de
Alnico VI comparada con la del motor de cerámica?
c) Supóngase una razón de permeancia (Bd/Hd) de 50 para el Alnico VI ¿Qué razón de permeancia se usó en la figura 5.34?
d) ¿Qué reacción de inducido (en términos de intensidad de campo Ha) puede
tolerarse en el Alnico VI antes de que la densidad de flujo caiga hasta. 0.8 Br?
(Punto B en la figura 5.34).
e) Supóngase dos motores diferentes: uno con polos de Alnico VI y el otro con
cerámicos, aunque de dimensiones y devanados iguales (como en la figura 5.35).
¿Cuál será la razón aproximada de fcem o de niveles de voltaje entre los dos
motores?
Inténtese estimar la capacidad de potencia de los dos motores (relacionada con
el producto de E por la) Y discútanse los méritos relativos de ambos tipos de
materiales magnéticos para aplicaciones de motor.
5.23 Suponer un coeficiente de amortiguamiento lineal D como en la ecuación (5.53)
y al hacer T L = O, determinar la velocidad de motor en función del tiempo, d1lrante una operación de frenado dinámico. Ver las ecuaciones (5.47), (5.48),
(5.50) Y (5.52). Considerar que la operación de frenado se inicia en t = O cuando
ia =1 0 y w m =no ' Suponer además que V r e ir se mantienen constantes durante
esa operación.
5.24 Un motor de control (excitado con imán permanente) impulsa una carga inercial
mediante un tren de engranes de razón global R. Si se designa la carga inercial con
J L Y el par de carga T L es nulo, establecer la función de transferencia para la velocidad de control.
¿Cómo puede usarse la razón de engrane para alterar la constante mecánica 7m
del sistema?
5.25 Para un motor excitado separadamente, con control de armadura, descrito por
(5.56) a (5.59) y la figura 5.38, suponer que T L Y D sean mulos. El motor se encuentra inicialmente en pausa y se excita con corriente de campo nominal. El
voltaje de armadura nominal se aplica repentinamente en t = O. Encontrar la
energía total disipada en la resitencia Ra de armadura durante el tiempo requerido para que el motor alcance su velocidad final de régimen estacionario. Comparar esta energía con la cinética almacenada en la inercia rotatoria a la velocidad
de régimen estacionario. Repetir el cálculo si D no es cero.
n
Capítulo 6
Máquinas de
inducción
El motor de inducción es el más común de los motores. Como la máquina de c.c. que se estudió en el capítulo anterior, una máquina de inducción está constituida por un estator y un rotor montado en cojinetes y
separado de aquél por un entrehierro. Electromagnéticamente, el estator
está formado por un núcleo constituido por horadaciones (o laminaciones)
que llevan conductores alojados en ranuras. Estos conductores se interconectan de alguna manera prevista y constituyen los devanados de armaduras.
En la siguiente sección se verán algunos detalles de devanados de armadura.
Se suministra corriente alterna a los devanados del estator, induciendose así corrientes en los devanados del rotor. Este elemento es cilíndrico y
porta (1) barras conductoras cortocircuitadas en ambos extremos, como en
una máquina tipo jaula -figura 6.1- o (2) devanados polifásicos con terminales conectadas a anillos colectores para las conexiones externas, como
en una máquina de rotor devanado (figura 6.2). Un devanado de rotor con
arrollamiento es semejante al del estator. Algunas veces a la máquina tipo
jaula se le conoce como máquina sin escobillas y a la máquina con rotor devanado se le denomina máquina de anillos colectores. En la figura 6.3 se
muestran las tres diferentes etapas de producción del estator y rotor. El motor se especifica para 2500 kW, 3 kV, 575 A, dos polos de 400 Hz. En la figura 6.4 se ilustra un rotor terminado tipo jaula de 3400 kW, 6 kV y la 6.5
muestra el rotor devanado de un motor de inducción de cuatro polos, 16,200
kW, trifásico de anillos colectores. En la 6.6 se muestra una vista en corte
de un motor totalmente armado, con rotor tipo jaula.
Una máquina de inducción opera sobre la base de la interacción de las
corrientes inducidas en el rotor con los campos del entrehierro. Si el rotor
257
anillos terminales.
FIGURA 6.1 Rotor tipo jaula
Devanados insertos
en ranu ras, con
terminales a los
anillos colectores
Escobillas
FIGURA 6.2 Rotor devanado.
FIGURA 6.3 Rotor para un motor de 2,500 kW, 3 kV, dos polos, 400 Hz, en
diferentes etapas de producción. (Cortesía de Brown Boveri Col.
FIGURA 6.4 Rotor completo de un motor de 3,400 kW, 6 kV, 990 rpm. (Cortesía de
Brown Boveri Company).
FIG URA 6.5 Rotor de un motor de inducción trifásico; 12,500 kW, con anillos
colectores. (Cortesía de Brown Boveri Company).
260 Máquinas de inducción
FIGURA 6.6 Vista en corte de un motor
Company).
dl~
inducción (Cortesía de General Electric
puede girar bajo la acción del par desarrollado por esta interacción, la máquina trabajará como motor. Por otra parte, si el rotor puede impulsarse
por una fuente externa arriba de una velocidad tal que la máquina principie
a entregar potencia eléctrica, opera como un generador de inducción (y no
como motor de inducción que absorbe potencia eléctrica). Se ve así que
la máquina es capaz de trabajar como motor o como generador. No obstante casi siempre se usa como motor y rara vez como generador.
Antes de considerar en detalle ei motor de inducción, es de interés
estudiar la construcción de su estator y el campo magnético producido
por los devanados de estator (o armadura), de la manera siguiente.
R1FMMSDELOSDEVANADOSDEARMADURA
En el capítulo anterior se vio que la armadura de una máquina de c.c. posee un devanado distribuido alrededor de la periferia de la armadura. De
este modo, los conductores alojados en las ranuras, que cubren la superficie total de la armadura, conectados de una manera predeterminada, constituyen el devanado de armadura de una máquina de c.c.
FMMS de los devanados de armadura 261
Devanado de estator
Fase
e
circu itados mediante
anillos terminales
o
Núcleo del rotor
FIGURA 6.7 Devanados de estator y rotor. Clave: 0, fase A; x, fase B; fase C.
De forma semejante, en una máquina de inducción se forman los devanados de armadura interconectando los diversos conductores en las ranuras
distribuidas sobre la periferia del estator de la máquina. Con frecuencia, se
encuentra más de un devanado independiente en el estator. En la figura
6.7 se muestra una distribución de devanado de estator trifásico. Obsérvese que los devanados de estator se distribuyen en las ranuras sobre toda la
periferia del estator. Cada ranura contiene dos lados de bobina. Por ejemplo,
la ranura No. 1 tiene lados de bobina de fases A y B, mientras que la 2 contiene dos capas (o dos lados de bobina) de la fase A únicamente. Un devanado de este tipo se conoce como devanado de doble capa. Además, se trata de
un devanado de cuatro polos alojado en treinta y seis ranuras (figura 6.7)
y de este modo se tienen tres ranuras por polos por fase.
Para producir el flujo de cuatro polos, cada bobina debe tener una
abertura (o paso) de un cuarto de la periferia. En la práctica, el paso es un
poco menor y cada bobina abarca ocho dientes. El paso de bobina es alrededor del 89% del polar y el devanado es, por lo tanto, un devanado de paso
fraccional (o cardado). En la Ref. 1 se dispone de más detalles sobre devanados de armadura.
262 Máquinas de inducción
r
Bobina de paSO
completo de N vup.ltas, con
corriente i
Ni
')------v.}-...I..------'~
(a)
x
(b)
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.... ,
t
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(e)
FIGURA 6.8 Flujo y fmm producidos por un devanado concentrado. a) Líneas de
flujo producidas por una bobina de N vueltas. b) Fmm produicida por la bobina de N
vueltas. e) Fmm por polo.
Se considerará, por ahora, la fuerza magnetomotriz producida por
los devanados de armadura. En primer lugar, supóngase una bobina simple
de paso entero, donde la apertura de ranura sea insignificante. Es obvio
que la máquina tendrá dos polos (figura 6.Sa). De la Ley Ampere, se tiene
1 H . dQ == Ni, válida para cualquier línea de fuerza. En otras palabras, la
fmm tiene un valor constante Ni entre los lados de bobina, como se muestra en la figura 6.Sb. Por costumbre, los efectos magnéticos de un devanado
se consideran sobre una base por polo en una máquina eléctrica. Así, si i
es la corriente en la bobina, la fmm por polo es Ni/2, cuya gráfica se muestra en la figura 6.Se. La razón para una representación de este tipo es que
esta figura ilustra asimismo una densidad de flujo, aunque a otra escala. Evidentemente, la densidad de flujo sobre un polo (digamos el norte) puede
ser opuesta a la del otro (sur), conservándose así iguales los flujos que entran y salen de la superficie del rotor. Comparando las figuras 6.Sb y 6.Sc,
se observa que la representación de la curva de fmm con áreas positivas y
negativas (figura 6 .Se) tiene la ventaja de dar la distribución de densidad de
FMMS de los devanados de armadura 263
flujo, que debe necesariamente contener áreas positivas y negativas. Puede descomponerse la distribución de fmm mostrada en la figura 6.Se en sus
componentes armónicas mediante la serie de Fourier. El período de la componente fundamental es el mismo (27) que el de la onda rectangular de
fmm. Por consiguiente, la componente fundamental de la distribución
de fmm se obtiene de
17
4 Ni
2
(6.1)
F(x,t)= - -cos-x
17
'T
Si i es sinusoidal, de tal suerte que i == 1m sen w t, (6.1) se hace
V2- -Nlcos-senwt
4
17X
F(x , t)= 2 'lT
'T
(6.2)
que se reduce a
'lTX
(6.3)
F(x,t) =0.9NI cos-senwt
'T
donde 1 es el valor eficaz de la corriente. Nótese que la variación con el
tiempo del flujo resultante de la fmm es alterno y estacionario en el espacio.
En una máquina eléctrica rara vez se tiene una bobina simple de N
vueltas (figura 6.Sa) en calidad de fuente de fmm de armadura. Se tiene más
bien devanados distribuidos sobre toda la periferia de la máquina, como el
mostrado en la figura 6.7. Además de utilizar todo el espacio disponible, distribuyendo el devanado, se reduce el contenido armonico de la distribución
de fmm, aunque la magnitud de la componente fundamental es menor que
la del devanado concentrado. Se intenta, idealmente, distribuir el devanado
de tal manera que la distribución de fmm resultante sea puramente sinusoidal.
En la práctica, como una primera aproximación, se supone una distribución sinusoidal de fmm. Para el estudio del motor de inducción se supondrá
una distribución tal. De este modo, se escribe para la distribución espacial
de fmm (o densidad de flujo) producida por tres bobinas idénticas, desplazadas una de otra en 1200 (figura 6.9):
Fa = Fm senwt cos 'lTX
'T
Fb = Fmsen(wt - 120 0 ) cos( 17;
-
Fe = Fmsen( wt + 120 0 ) cos( 'lT;
+ 120
120 0 )
(6.4)
0
)
Obsérvese que las tres bobinas se excitan con una fuente trifásica. Como
se vio que los devandos trifásicos están formados por tres bobinas de N
264 MáquiTUls de inducción
' -·t
, '''x'/,
-+;._-_. .
I
e!)\'l
2 ·----
(a)
\'lb
e
,
8)
\'lR = Flujo resultante
\'la
e!)
e
8)
8)
b
a'
(b)
FIGURA 6.9 Producción de un campo magnético rotatorio por una excitación trifási.
ca.
vueltas (independientes), la F m será igual a 0.9 NI, de acuerdo con (6.3) y
(6.4). Observando que sen A cos B = 1/2 sen (A - B) + 1/2 sen (A + B)
Y sumando Fa, F b Y Fe, se obtiene al fmm resultante como
F(x,t) = 1.5Fm
sen(wt -
X
'1T'T )
(6.5)
La figura 6.10 muestra la posición de la fmm resultante en tres diferentes
instantes ti <t2 <t3 • Observar que al transcurrir el tiempo, un punto determinado P se mueve a la derecha, implicando que la fmm resultante sea una
onda progresiva de amplitud constante. El campo magnético producido
por esta fmm en una máquina eléctrica se conoce como campo magnético rotatorio. Puede llegarse a la misma conclusión considerando la fmm
resultante en varios instantes, como se muestra en la figura 6.10. De estos
diagramas, puede verse claramente que con el transcurso del tiempo de ti
a t 3 , la fmm resultante gira en el espacio de () 1 a () 3 • La existencia del campo magnético rotatorio es esencial para la operación de un motor de inducción.
FMMS de los devanados de armadura 265
Para determinar la velocidad del campo progresivo dado por (6.5),
imagínese un observador que viaje con la onda de fmm en un punto P. Para
él, la magnitud de la onda de fmm permanecerá constante (independiente
del tiempo), lo que implica que el segundo miembro sea constante. Matemáticamente,
17;) =
sen ( wt -
consto
o bien
wt -
17X = consto
(6.6)
'T
Al derivar ambos miembros respecto a t, se obtiene
w- .!.x=O
'T
o sea
. W'T
2'T
A
x= - =2f'T=- = -mis
T
17
T
(6.7)
p
---~---~----y-------~~x
---------L--~~----y-----~~x
-----------J-r--~----y_--~x
FIGURA 6.10 La función sen rcot -1Tx/r 1en diferentes momentos tI
< t < i2
266 Máquinas de inducción
I
s
--LtN-
-Nt----
s
I
FIG URA 6.11 Definición de paso polar 7.
donde r = paso polar, w = 2wf y f es la frecuencia de las corrientes de entrada y T es el período correspondiente (esto es, f = liT). De (6.7) se concluye que la onda de fmm (o de flujo), durante un ciclo, avanza dos veces
el paso polar (o una longitud de onda A). Por lo tanto, para un paso polar
y frecuencia dados, la velocidad del campo progresivo es constante y se conoce como velocidad síncrona.
Es posible ahora relacionar la velocidad síncrona (en m/seg) con la
velocidad en rpm, observando que una revolución alrededor del entrehierro
de la máquina corresponde a una distancia lineal p7 , donde p es el numero de polos (figura 6.11). La distancia recorrida por la onda en un minuto es
60(2fr). Así, la velocidad del campo progresivo, que corresponde ahora a
un campo rotatorio con n rpm, se obtiene de
n=
60(217)
p7
1201
=--rpm
p
(6.8)
Es ésta también la velocidad fija, llamada síncrona, que generalmente se
denota con ns' De este modo, se reescribe (6.8) como
1201
ns=prpm
(6.9)
6.2 ACCION DE UN MOTOR DE INDUCCION POLlFASICO
Una excitación de estator trifásica produce un campo magnético rotatorio
en el entrehierro de un motor de inducción y el campo gira a una velocidad
síncrona dada por la ecuación (6.9). Al girar el campo magnético, "corta"
a los conductores de rotor y se inducen en estos voltajes, que a su vez dan
lugar a corrientes de rotor. Estas corrientes interaccionan con el campo del
entrehierro, produciéndose un par, que persiste mientras existan el campo
magnético y las corrientes de rotor inducidas. Como consecuencia, inicia
Deslizamiento y frecuencia de corrientes de rotor 267
su giro el rotor en la dirección del campo rotatorio. (Nota: Puede verificarse
fácilmente, aplicando el principio de la conservación de la energía, que el
rotor no girará bajo su propio par, en una dirección opuesta a la del campo rotatorio). El rotor alcanzará una velocidad de régimen estacionario n, tal
que n < ns. Es evidente que cuando n = n s , no existirán corrientes inducidas y consecuentemente el par será nulo. La condición n>ns corresponde
al modo generador.
Otra manera de explicar la operación del motor polifásico de inducción es considerando la interacción del campo magnético de estator (excitado) y el'campo magnético del rotor (inducido). La excitación del estator
produce un campo magnético rotatorio que gira en el entrehierro de aire con
una velocidad síncrona. Este campo induce corrientes polifásicas en el rotor, que a su vez originan otro campo magnético rotatorio, que gira a una
velocidad síncrona igual a la del estator, y con respecto a éste. De esta manera se tienen dos campos magnéticos rotatorios girando a una velocidad
síncrona con respecto al estator, aunque estacionarios uno con relación al
otro. En consecuencia, de acuerdo con el principio de alineamiento de
campos magnéticos (capítulo 4), el rotor sufrirá un par (pudiera decirse que
el campo magnético del estator arrastra al rotor), girando en la dirección
del campo rotatorio del estator.
6.3 DESLIZAMIENTO Y FRECUENCIA DE CORRIENTES DE ROTOR
La velocidad real n del rotor se expresa a menudo como una fracción de la
velocidad síncrona ns , a través del deslizamiento s, que se define como
ns-n
s=-ns
(6.10)
Puede también expresarse el deslizamiento como porcentaje:
por ciento de deslizamiento =
n-n
_s_ _
ns
X 100
(6.11 )
En reposo, el campo magnético rotatorio que produce el estator tiene
la misma velocidad relativa respecto a los devanados de rotor que con relación a los de estator. Así, la frecuencia t2 de las corrientes de rotor es la
misma que la frecuencia de corrientes de estator ti . A la velocidad síncrona no hay movimiento relativo entre el campo rotatorio y el rotor y la frecuencia de la corriente de rotor es cero. En otras velocidades, la frecuencia
de rotor es porporcional al deslizamiento s. Este puede demostrarse de la siguiente manera.
En primer lugar, se reescribe (6.10) así:
268 Máquinas de inducción
s=
donde
W m
=
(6. lOa)
velocidad real del rotor en rad/seg. De (6.9) se observa que
(6.12)
Como la velocidad relativa entre el rotor y el campo rotatorio producido
por el estator es W s - W m , la frecuencia angular W r de las corrientes inducidas de rotor es
(6.13)
Sustituyendo (6.10a) en (6.13) se obtiene
wr=sw!!'"
s2 =sw
(6.14)
1,=s1
(6.15)
o sea
que se conoce como frecuencia de deslizamiento. En (6.15), fr = frecuencia
de las corrientes de rotor y f = frecuencia de corrientes de estator (entrada)
o de voltajes de estator.
Resumen de lo anterior.
1. El campo magnético rotatorio de estator gira con la velocidad síncrona
ws(con respecto a un observador estacionario).
2. La fmm de rotor produce un campo magnético rotatorio que gira también a la velocidad síncrona y en la misma dirección que el campo producido por la fmm de estator. De esta manera,los campos rotatorios producidos
por el estator y rotor son estacionarios uno respecto al otro.
3. El campo rotatorio producido por el rotor gira con una velocidad W s W m respecto al rotor, donde W m es la velocidad mecánica real del rotor.
4. Las corrientes (y voltajes) inducidos en el rotor son de frecuencia igual
al deslizamiento.
6.4 EL CIRCUITO EQUIVALENTE DE ROTOR
En virtud de que la frecuencia de las corrientes de rotor es la de deslizamiento, puede expresarse la reactancia X; de fuga de rotor por fase en un
deslizamiento s, en términos de la reactancia X 2 por fase en reposo como
(6.16)
El circuito equivalente de rotor 269
~
s
(b)
(a)
FIGURA 6.12 Dos formas de circuito equivalente de rotor.
En seguida, se observa que la magnitud del voltaje inducido en el circuito
de rotor es también proporcional al deslizamiento.
Se justifica esta aseveración mediante la teoría del transformador (capítulo 3), pues puede verse el motor de inducción en reposo como un
transformador con entrehierro de aire. Se sabe de esa teoría, que un voltaje
inducido, digamos E 2 , se expresa como
(6.17a)
Pero en un deslizamiento s, la frecuencia se hace st, de acuerdo con (6.15).
Reemplazando este valor de frecuencia en (6.17a) se obtiene el voltaje E~
en un deslizamiento s como
E~ =
4.44sfN<Pm = sE2
(6.17b)
Se concluye, por lo tanto, que si E 2 es el voltaje por fase inducido en el
rotor en reposo, el voltaje E~ en un deslizamiento s se obtiene de
(6.l7c)
Con (6.16) Y (6.17c), puede obtenerse el circuito equivalente de rotor
mostrado en la figura 6.12a. La corriente 1 2 de rotor será
(6.18)
que puede reescribirse como
(6.19)
270 Máquinas de inducción
que conduce a la otra forma de circuito equivalente que se muestra en la
figura 6.12b. Obsérvese que los circuitos mostrados en la figura 6.12 setrazaron sobre una base por fase. A este circuito puede agregársele ahora el
circuito equivalente de estator por fase, para obtener el circuito equivalente completo del motor de inducción, que se analizará en la sección siguiente.
6.5 DESARROLLO DEL CIRCUITO EQUIVALENTE COMPLETO
Se hace notar nuevamente que en un motor de inducción sólo el estator se
conecta a la fuente alterna. El rotor por lo general no se conecta a una
fuente externa, produciéndose el voltaje y corri~mte de rotor por inducción.
Desde este punto de vista, puede considerarse el motor de inducción como
un transformador con entrehierro, con resistencia variable en el secundario.
De esta manera, se puede pensar que el primario del transformador corresponde al estator del motor de inducción, mientras que el secundario corresponde al rotor sobre base por fase. Por la presencia del entrehierro de
aire, el valor de la reactancia magnetizante X m tiende, no obstante, a ser
relativamente baja, en comparación con la de un transformador. Como en
un transformador, (analizado en el capítulo 3), se tiene un flujo mutuo que
eslabona al estator y al rotor, representado por la reactancia magnetizante y
por varios flujos de fuga. Por ejemplo, el flujo total de fuga de rotor se designa con X 2 en la figura 6.12. Aunque los flujos de fuga se subdividen en
varias componentes, como flujo de fuga por conexión final, flujo de fuga
por ranura, flujo de fuga por punta de diente y otras, no se considerarán
aquÍ. Se observa, sin embargo, que se asigna una componente adecuada de
reactancia de fuga a cada componente de flujo de fuga y que tales componentes no existen en un transformador.
Con relación a la analogía de un transformador, considérese que el
rotor se acopla al estator, como el secundario del transformador lo hace
al primario y puede así trazarse el circuito de la figura 6.13. Para avanzar en
el desarrollo de este circuito, es necesario expresar las cantidades de rotor
referidas al estator. Para esto, debe conocerse la razón de transformación,
como en un transformador. (Ver capítulo 3).
Es importante tener cuidado al definir la razón de transformación. La
razón de transformación de voltaje en el motor de inducción debe incluir
el efecto de las distribuciones de devanados de estator y rotor. En estas
condiciones, la razón de voltaje de rotor a estator se hace
E2
k w2 N 2
E¡
= kw¡N¡
(6.20)
donde k wl es el factor de devanado del estator, con NI vueltas en serie
por fase. Para un rotor tipo jaula, el número de vueltas por fase por par
de polos es 1/2. De esta manera, el número de vueltas por fase esN2 = (1/2)
Desarrollo del circuito equivalente completo 271
/1
+
V1
)'
r1
Xl
:::3 ~"
X2
rrro'
/2
)'
t~
FIGURA 6.13 Estator y rotor como circuitos acoplados.
(p /2), donde p es el número de polos. Además, para el rotor jaula, k w2 = lo
Para un rotor devanado estas cantidades se encuentran de una manera semejante a las del estator. El factor de devando se define en los ejemplos
6.1 y 6.2. En seguida, considerando las fmm F¡ y F 2 de estator y rotor,
puede escribirse, de acuerdo con (6.3),
(6.21a)
y
(6.21b)
donde m¡ y m2 son el número de fases en el estator y rotor, respectivamente; en un rotor devanado, m ¡ = m2 . El resto de símbolos se interpretan
con las definiciones dadas antes. Para un rotor tipo jaula el número de fases
mz = número de barras por par de polos = Qz /p/2, siendo Q2 el número
de barras de rotor. Referir las cantidades de rotor a las de estator, implica
que el rotor tenga en efecto la misma fmm que el estator; en otras palabras,
una corriente de rotor 12' referida al estator y circulando en NI vueltas con
mI fases, produce la misma fmm que la F 2 original. De (6.12b), se tiene,
por consiguiente,
o bien
(6.22)
Aún más, los volt-ampere de rotor por fase, r~feridos al estator, deben ser
iguales a los volt-ampere de rotor originales. Así
(6.23)
Se sustituyen (6.20) y (6.22) en (6.23) para obtener el voltaje de rotor
referido al estator:
272 Máquinas de inducción
(6.24)
La siguiente condición que debe satisfacerse es que las pérdidas de rotor
no deben cambiar. Matemáticamente,
(6.25)
donde r; es la resistencia de rotor por fase, referida al estator y r2 es la
resistencia de una barra. Las ecuaciones (6.22) y (6.23) dan
,
mi
(kwlN I )2
(6.26)
r2=- - - r2
m2 k w2 N 2
Para finalizar, se requiere que la energía magnética almacenada en la reactancia de fuga del rotor en reposo tampoco cambie; así
~mILí(Ií)2= ~m2L2li
(6.27)
Al multiplicar ambos miembros de (6.27) por la frecuencia angular w de
estator y sustituir (6.22), se obtiene
mi
(kWI NI )2X
Xí=- - -
m2 k w2N 2
2
(6.28)
que es la reactancia de fuga de rotor referida al estator.
En resumen, deben multiplicarse la corriente, voltaje, resistencia y
reactancia de rotor por los factores contenidos en (6.22), (6.24), (6.26) Y
(6.28), respectivamente.
Una vez demostrada la similitud entre motor de inducción y un transformador, percatándose de las diferencias esenciales, es posible referir las
cantidades de rotor a las de estator. Se obtiene así el circuito equivalente
exacto (por fase) mostrado en la figura 6.14a, a partir de la figura 6.13.
Por razones que se aclararán de inmediato, r; /s se descompone en
r'
s
r'
s
2 =rí+ 2(1-s)
para obtener el circuito mostrado en 6.14b. Aquí, r; es simplemente la
resistencia de rotor en reposo referida al estator y r' (1 - s)/s es una resistencia dinámica que depende de la velocidad del rotor y corresponde a la
carga en el motor. Nótese que todos los parámetros mostrados en la figura
6.14a y b son valores en reposo y el circuito es el equivalente exacto por
fase referido al estator. Se verá adelante la utilidad del circuito, aunque
se considere primeramente un ejemplo que muestre los cálculos de los factores utilizados para referir cantidades de rotor al estator.
Desarrollo del circuito equivalente completo 273
/'2
+
Vl
(a)
X'2
Xl
+
r'
-f
(1 - s)
(b)
FIGURA 6.14 Dos formas de circuitos equivalentes de un motor de inducción.
Ejemplo 6.1
Establecer una expresión general para el factor de distribución en un devanado de armadura en c.a. Indicar cómo se modifica la ecuación de voltaje
debido al factor de distribución. Recordando de capítulos anteriores (sobre
transformadores y máquinas de c.c.) que el voltaje E, inducido en una bobina de N vueltas (en todas las vueltas) que eslabona a un flujo C/> alterno
de frecuencia f es
E=4.44fq,N
(6.29)
Si estas N vueltas se distribuyeran en un cierto número de ranuras, como se
muestran en la figura 6.7, los voltajes inducidos en las bobinas se desplazarán uno de otro en un ángulo de fase 01 entre ranuras, definido por
180p
180
a=--=--
Q
mq
(6.30)
donde
m
=
p
= número de polos y Q = número total de ranuras
número de fases; q = número de ranuras por polo-fase
El voltaje neto disponible en las terminales de las N vueltas sería entonces
la suma fasorial de los voltajes inducidos en cada bobina. La figura 6.15
muestra una adición fasorial de este tipo, de la que la razón
274 Máquinas de inducción
FIGURA 6.15 Determinación de Kd.
(6.31)
kd :::
voltaje resultante
------=-----------
suma de voltajes de bobinas individuales
y kd se conoce como factor de distribución. De la figura 6.15 se obtiene
Er
k d = qEe
2 asen q(0:/2) sen q 0:/2
= 2aqsen(0:/2) = qseno:/2
(6.32)
La ecuación de voltaje (6.29) se modifica por (6.32) de la manera siguiente
E = 4.44 kd fcf>N
(6.33)
En la tabla 6.1 se dan factores de distribución para algunos devanados trifásicos.
TABLA 6.1 Factores de distribución para devanados trifásicos
Ranura/polo /fase
2
3
4
5
6
8
00
kd
0.966
0.960
0.958
0.957
0.957
0.956
0.955
Ejemplo 6.2
Con referencia a la figura 6.7 nuevamente, se ve que el paso de bobina difiere del paso polar. Un devanado de esta forma se denominó devanado de paso
fraccionario. El voltaje inducido en un devanado de paso fraccionario se
reduce por un factor conocido como factor de paso, en relación al voltaje inducido en una bobina de paso entero. Establecer una expresión para
el factor de paso.
En la figura 6.16 se muestran bobinas de paso entero y fraccionario
para una densidad de flujo distribuida sinusoidalmente. El claro de bobina
de paso entero = paso polar = T. Sea (3 el claro de bobina de la de paso fraccionario, como se muestra ahí. La densidad de flujo que eslabona a la bobina
Desarrollo del circuito equivalonte completo 275
FIGURA 6.16 Determinación de Kp.
de paso fraccionario será proporcional al área sombreada (figura 6.16) en relación al flujo que eslabona con la bobina de paso complero (es decir, proporcional al área total bajo la curva). La razón del área sombreada a la total
es, consecuentemente, el factor de paso kp. Así
k =
p
'TTX
f. -'-sen-dxj
("PJ
(,;PJ
T
fT
'TTX
'TTf3
sen-dx=senT
x =0
T
(6.34)
T
Si se considera este factor, la (6.33) se modifica a
(6.35)
donde Kw = KdKp, llamado factor de devanado en la sección anterior. Véanse (6.20) a (6.28).
Ejemplo 6.3
El devanado de estator del motor de inducción tipo jaula, que se indica en
la figura 6.7, tiene 24 vueltas por fase. Determinar el factor por el que debe
multiplicarse la resistencia de rotor en reposo para referirla al estator.
Se observa de esa figura que el estator tiene tres fases: mI = 3. Además, posee cuatro polos: p = 4. El número de ranuras por polo por fase
q = 36/4 X 3 = 3 y el ángulo a de ranura será 180/3 X 3 = 30, según (6.30).
Por lo tanto, de acuerdo con (6.32) o la tabla 6.1,
k dl =
sen(3 x20j2)
3 sen (20/2)
=0.96
De la figura 6.7 nuevamente, r= 9 ranuras y {3 = 8 ranuras. De esta manera,
de (6.34), se obtiene
276 Máquinas de inducción
kp1 =sén ~; =sen80° =0.985
El factor de devanado para el estator
Para el rotor se tiene
P
N2 = ¡
2Q2
28
= 1, and m2 = p =2x 4
=
14.
Sustituyendo estos valores en (6.26),
, = .l.. ( 0.945 x 24)2 _ 110
'2
14
1x 1
'2 -
'2
por lo que el factor requerido será = 110.
6.6. CALCULOS DE OPERACION DE CIRCUITOS EQUIVALENTES
La mayor utilidad del circuito equivalente del motor de inducción se encuentra en sus cálculos de operación. Desde luego, se supone aquí que se conocen
todos los parámetros del circuito y que se han especificado las condiciones
de entrada o salida o una combinación de ambas. Por ejemplo, pueden
ser datos el voltaje de entrada y el deslizamiento de operación e incógnitas
la corriente de entrada, el factor de potencia, la eficiencia, etc. Se insiste
en que todos los cálculos se realizan sobre una base por fase, suponiendo
una operación balanceada de la máquina. Las cantidades totales se obtienen utilizando un factor adecuado como se ilustró en el ejemplo 6.4.
Véase la figura 6.14 para aclarar lo que sigue. En la figura 6.17 se retraza este circuito, en la que se indica asimismo el flujo de potencia y varias
pérdidas de potencia en una fase de la máquina. Obsérvese que no han sido
tomadas en cuenta las pérdidas por núcleo, la mayor parte de las cuales se
ubican el estator; estas pérdidas se incluirán sólo en cálculos de eficiencia.
Por consiguiente, la potencia Pg que cruza el entrehierro de aire es la diferencia entre la potencia de entrada Pi y la pérdida en estator Ii r1 : es decir,
wattj fase
Esta potencia se disipa, claramente, en la resistencia
Por lo tanto,
( 6.36)
r; /s de la figura 6.14.
Cálculos de operación de circuitos equivalentes 277
2
Pg=I2
r;
S
(6.37)
Si se resta la pérdida en rotor I~ r~ de Pg , se obtiene la potencia electromagnética desarrollada Pd, de tal suerte que
(6.38)
Esta es la potencia que aparecería en una resistencia que tuviera un valor
óhmico r; [(1 - 8)/S], que correspondería a la carga. La potencia rotatoria
Pr puede restarse de Pd para obtener la potencia de salida de flecha Po.
Así,
(6.39)
Además
(6.40)
y la eficiencia n es la razón Po /Pi'
Se ilustrará este procedimiento, mediante el ejemplo que sigue.
Ejemplo 6.4
Los parámetros del circuito equivalente de la figura 6.17a, para un motor
de inducción, en 220 V, trifásico, 60 Hz, son
"
-v.A
+ - -.....
F
,
(,,)
P,
"" ~ P, - 1,2"
•
Pd
•
1
1
q 'í -
Il,,-Ipérdida
~ (1
pérdida
-s)p"
p,
Po
1
..
-pérdida
(b)
FIGURA 6.17 Flujo de potencia en un motor de inducción.
278 Máquinas de inducción
r, =0.2 ohm rí=O.lohm
X, =0.5 ohm
Xí=0.2 ohm
X m =20.0ohm
Las pérdidas totales de hierro y mecánicas son de 350 W. Para un deslizamiento del 2.5% , calcular a) la corriente de entrada, b) la potencia de salida, e) el par de salida y d) la eficiencia.
Como se conocen las pérdidas por hierro, (350 W), se hace una aproximación, sin tomar en cuenta la resistencia r m. Así, de la figura 6.17a, la.
impedancia total es
j
xm (rSí +j XI)2
2 1 = r, +jX, + --:-,- - - - r
-2 +j(Xm + Xí)
S
.
j20(4+ jO.2)
4+ j(20 + 0.2)
= 0.2 +jO.5 + ----,----
=(0.2+ jO.5) + (3.8+ jO.BI) =4.21 L 18°
Voltaje de fase =.221)/1/3 = 127 V
Corriente de entrada = 127/4.21 =30 A
Factor de potencia = cos 18° =0.95
Potencia de entrada total =
1/3
x 220 x 30 x 0.95
= 10.85 kW
Potencia total a
través del entrehierro de aire = 3 x 3& x 3.8
= 10.25 kW
Potencia total desarrollada = 0.975 x 10.25 = 10.0 kW
Potencia de salida total = 10-0.35=9.65 kW
Par de salida total = potencia de salida/ W m
=(9.65/184) X 1000=52.4 N m
El circuito a partir de datos experimentales 279
120
t
200
~ 160
'"
'c:"
c:
Q)
¡; 120
Q)
0 0 .6
o.
Q)
Q)
1::>
80
c:
B0.4
(J
Q)
'Eo
.!!! 0.8
(J
1::>
~
i
1.0
40
'" 0.2
u.
¡lOO -t100
Q)
.~
80
I
~
c:
'"
E
/
80
Y
/
(J
5
a.
60
.!!!
g
~
60
'"
"40
40
W 20
20
.C!!
.2
U
1.0
-'
.-' --.--
O
FIGURA 6.18 Características de un motor de inducción. T m = par máximo; T s = par
de arranque. Clave: -, corriente de entrada A; - - -. factor de potencia; - . -. -,
eficiencia (%) y _. -, par en Nw-m.
donde
Wm
=0.975 x60x 17= 184 radjs
"
.
EflClenCia
=
9.65
10.85
= 890710
Mediante un procedimiento semejante, es posible calcular la operación
del motor para otros valores del deslizamiento, dentro de un ¡;ango de O a
1. En la figura 6.18 se muestran las características así calculadas.
6.7 EL CIRCUITO EQUIVALENTE A PARTIR DE DATOS
EXPERIMENTALES
En el ejemplo anterior se mostró la utilidad de un circuito equivalente. No
obstante, en realidad no se utilizó el circuito exacto de la figura 6.10. Para
simplificar los cálculos, no se tomaría en cuenta la resistencia r m de la rama paralelo. En muchos cálculos para objetivos prácticos, se represente
la máquina de inducción por el circuito equivalente aproximado de la figura
6.19. Con el objeto de calcular la operación de la máquina, deben conocerse sus parámetros. Los correspondientes al circuito de la figura 6.19 se obtienen mediante las dos pruebas siguientes.
1. Prueba sin carga. en esta prueba, se aplica un voltaje nominal a la má·
quina y se le permite operar sin carga. Se miden la potencia, voltaje y
corriente de entrada, que se reduce a valores por fase, denotán-
280 Máquinas de inducción
Xl
11
+
!i.
s
V1
(l-s)
FIGURA 6.19 Circuito equivalente aproximado para un motor de inducción.
dosele con Po, V o elo , respectivamente. Cuando la máquina opera sin carga, el deslizamiento es casi cero y la sección del circuito a la derecha de
la rama paralelo se toma como circuito abierto. De este modo, se determinan los parámetros r m Y X m de las siguientes ecuaciones:
v?o
, =m
X =
m
(6.41 )
Po
Vo
'osell4>o
(6.42)
donde
_
_\ Po
CPo-cos v: /
oo
(6.43)
2. Prueba con rotor bloqueado: en esta prueba, se bloquea el rotor de la
máquina (8 = 1) Y se le aplica un voltaje reducido, de tal suerte que flu-
ya la corriente nominal a través de los devanados de estator. Se registran
la potencia, voltaje y corriente de entrada y se reducen a valores por
fase, que se designan con Ps , V s e ls' respectivamente. En esta prueba
se suponen insignificantes las pérdidas por hierro y no considera la rama paralelo de la figura 6.19. Los parámetros se determinan así:
2
Ps
, =,\+a '2=/2
(!
(6.44)
s
(6.45)
El circuito a partir de datos experimentales 281
donde
<l>s =cos
_) Ps
VI
(6.46)
s s
En (6.44) Y (645), a es constante y es análoga a la razón de transformación de un transformador. Toma en cuenta el efecto de resistencia y
reactancia de rotor referidas al estator, como se vio en la sección 6.5. Las
pruebas descritas aquí son aproximadas, pudiendo afinarse. En las referencias 1 y 4 se encuentran detalles al respecto. La resistencia por fase'l de
estator se puede medir directamente y conociendo re de (6.44) se puede
determinar r~ = a 2 '2' resistencia de rotor referida al estator. No existe un
método simple para determinar las reactancias de fuga XI = X 2 separadamente. El valor total de la reactancia de fuga se encuentra por (6.45) y,
aproximadamente, puede considerarse que XI =X 2 • Se verá en seguida un
ejemplo para ilustrar los cálculos involucrados para determinar las constantes de la máquina a partir de datos experimentales.
Ejemplo 6.5
Los resultados de las pruebas sin carga y con rotor bloqueado en un motor de inducción trifásico conectado en Y son los siguientes:
Prueba sin carga
Prueba con rotor
bloqueado
voltaje línea a línea
potencia de entrada total
=
corriente de línea
pérdidas por rozamiento y vendaval =
220 V
lOOOW
20A
400W
V oltaje línea a línea
=
potencia de entrada total
corriente de línea
=
30V
1500W
50A
Calcnlar los parámetros del circuito equivalente mostrado en la figura 6.19.
V = 220 = 127 V
0V3
/0=20 A
1
Po= } (1000-400) =200 W
Así, de (6.41) a (6.43),
28'2 Máquinas de inducción
'm =
,¡,.
1272
200 =80.5 g
-
't'o-cos
-1
200 -860
20x 127 -
127
Xm = 20xO.99 =6.4g
Ahora,
=~=17.32 V
sV3
V
Is=50 A
p = 1500 =500 W
s
3
De (6.44) a (6.46),
500
'e= 5Q2 =0.2 g
,¡,.
't's=cos
-1
500
540
17.32x50 =
Una vez conocidas las constantes del circuito, puede calcularse la operación de la máquina, como en el ejemplo 6.4.
6.8 CRITERIOS DE OPERACION DE LOS MOTORES DE
INDUCCION
Los dos ejemplos anteriores mostraron la utilidad del circuito equivalente
y el método para determinar sus parámetros, a partir de datos experimentales, con el objeto de calcular la operación del motor. La operación de
un motor de inducción puede caracterizarse por los siguientes factores:
1.
2.
3.
4.
5.
Eficiencia
Factor de potencia
Par de arranque
Corriente de arranque
Par máximo
Criterios de operación de los motores de inducción 283
Obsérvese que estas características se muestran en la figura 6.18. Al diseñar,
deben incluirse las pérdidas por núcleo y las debidas a [2 r, así como los
medios para la disipación de calor. No se pretende en este libro presentar
una discusión detallada de los efectos de cambios de diseño -y consecuentemente de las variaciones de los parámetros- sobre cada característica
de operación. Aquí se resumen los resultados en calidad de direcciones generales. Por ejemplo, la eficiencia es aproximadamente proporcional a (1 - s);
de este modo, el motor sería compatible con una carga que corriera a la
velocidad más alta posible. En virtud de que la eficiencia depende obviamente de las pérdidas P r, r~ y r) deben ser pequeñas para una carga dada.
Para reducir las pérdidas por núcleo, la densidad de flujo operante (B), debe
ser pequeña aunque esto impone un requerimiento conflictivo sobre la corriente de carga (1;) puesto que el par, determinado por la carga, depende
del producto de B por [;. En otras palabras, un esfuerzo para reducir las
pérdidas por núcleo más allá de un cierto límite, se traduce en un aumento
de las pérdidas [2 r para una carga dada.
Puede verse de los circuitos equivalentes (desarrollados en la sección
6.5) que puede mejorarse el factor de potencia reduciendo las reactancias
de fuga y aumentando las magnetizantes. Sin embargo, no es prudente reducir las reactancias de fuga a un mínimo, pues estas reactancias restringf.n a
un mínimo la corriente de arranque del motor. Se notan, otra vez, las ( ondiciones conflictivas entre un alto factor de potencia y una corriente de
arranque baja. Además, el par máximo será más elevado con reactancias
de fuga más reducidas.
Un par de arranque elevado se produce con una r; grande; es decir,
mientras más grande sea la resistencia de rotor, mayor será el par de arranque. Una resistencia r; grande se encuentra en conflicto con un requerimiento de alta eficiencia.
Se puede llegar a las conclusiones anteriores considerando el circuito
de rotor sólo como se muestra en el ejemplo que sigue.
Ejemplo 6.6
Del circuito equivalente de rotor mostrado en la figura 6.12,a) encontrar r 2
para la cual el par sea máximo; b) ¿cuál es el deslizamiento en este par máximo? c) Determinar r 2 para un par de arranque máximo y d) ¿cuál es
efecto de X 2 sobre el par?
De la figura 6.12, la potencia desarrollada Pd por fase esta dada por
Pero la velocidad mecánica
Wm
está relacionada con la síncrona por
284 Máqui1llJS de inducción
Las dos ecuaciones anteriores proporcionan la expresión para el par electromagnético Te :
(6.47)
La corriente de rotor 12 la da
(6.48)
De (6.47) Y (6.48) se tiene
(6.49)
Para un Te máximo debe tenerse aTe/3r2 = 0, lo que, junto con (6.49), da
o sea
a)
y
b)
En el arranque, s = 1
c)
d) Para una resistencia de rotor dada, el par de arranque será un máximo si
X 2 :::: 0, según (6.49).
Control de velocidad en motores de inducción 285
Desde luego que el análisis anterior es sólo aproximado; no obstante,
es factible llegar a conclusiones similares usando el circuito equivalente exacto como se indicó en el problema 6.5.
6.9 CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES DE
INDUCCION
Debido a su sencillez y solidez, el motor de inducción tiene numerosas
aplicaciones. Sin embargo, también tiene la desventaja de que su velocidad,
en contraste con los motores de c.c., no puede variarse eficiente y continuamente dentro de un rango amplio de condiciones de operación. Se revisarán aquí sucintamente los posibles métodos para variar la velocidad del
motor de inducción, ya sea en forma continua o discreta. Sale de los objetivos de este libro tratar todos estos métodos en detalle y el lector interesado
puede consultar las referencias dadas al final de este capítulo.
La velocidad del motor de inducción varía ya sea (1) modificando la
velocidad síncrona del campo progresivo (2), cambiando el deslizamiento.
Dado que la eficiencia del motor de inducción es aproximadamente proporcional a (1 - s), cualquier método de control de velocidad que dependa
de la variación del deslizamiento ineficiente inherentemente. Por otra parte, si es constante la frecuencia de alimentación, variar la velocidad mediante
cambios de la velocidad síncrona conduce sólo a cambios discretos en la
velocidad del motor. Se tratarán estos métodos de control de velocidad con
algún detalle.
6.9.1 Control de velocidad por cambios en la velocidad síncrona
Recuérdese que la velocidad síncrona ns del campo progresivo de una máquina de inducción rotatoria está dada por
f
ns = 120p
donde p es el número de polos y f = frecuencia de alimentación, lo que
indica que n2 puede modificarse ya sea (1) alterando el número de polos o
bien (2) cambiando la frecuencia f. Ambos métodos se utilizan, por lo que
aquí se consideran los detalles cualitativos pertinentes.
1. El método de modificación de polos. En este método, el devando de estator del motor se diseña de tal manera que, modificando las conexiones
de las diversas bobinas (cuyas terminales se sacan), pueda cambiarse el
número de polos del devanado en la razón 2 a 1, con lo que resultan dos
velocidades síncronas. Se notará que sólo dos velocidades de operación
286 Máquinas de inducción
son factibles. Si se dispone de más devanados independientes (por ejemplo, dos) -cada uno dispuesto para modificación de polos- pueden
obtenerse más velocidades síncronas (por ejemplo cuatro). Sin embargo,
sólo pueden alcanzarse cambios discretos en la velocidad del motor mediante esta técnica. El método tiene la ventaja de que es eficiente y
confiable, pues el motor tiene un rotor jaula de ardilla sin escobillas.
Otro método de modificación de polos es por medio de modulación en amplitud de polo. Se tienen informes sobre motoresjauladeardiHa con devanado simple que dan tres velocidades de operación. Otro
método, basado en cambio de polos, con tres o cinco velocidades, se
conoce como "cambio de polo modulado en fase". Como el método
más simple de cambio de polo, los de modulación de amplitud y de
cambio de polo modulado en fase, dan variaciones discretas en la velocidad síncrona del motor.
2. El método de la frecuencia variable. Se insiste en señalar que la veJocidad síncrona es directamente proporcional a la frecuencia. Si es factible
variar la frecuencia de alimentación, podrá también modificarse la velocidad síncrona del motor, en forma continua o discreta, según la
forma de variación de aquélla. Sin embargo, el par máximo desarrollado por el motor es inversamente proporcional a la velocidad síncrona.
Si se desea un par máximo constante, deben incrementarse el voltaje y
frecuencia de alimentación, si se quiere aumentar la velocidad síncrona
del motor. La dificultad inherente en la aplicación de este método 'es
que la frecuencia de alimentación de que se dispone por lo común, es
fija, por lo que el método sólo es aplicable cuando se disponga de alimentación en frecuencia variable. Con el advenimiento de los dispositivos de estado sólido, con capacidades de potencia comparativamente
grandes, es posible ahora usar inversores estáticos para impulsar al motor de inducción. En el capítulo 8 se estudia con algún detalle el control
par estado sólido de motores de inducción.
6.9.2 Control de velocidad por cambio en el deslizamiento
Se comprenderá mejor el método de control de velocidad de un motor de inducción observando la figura 6.20. La curva punteada indica la característica
velocidad-par de la carga. Las curvas en líneas llenas son las caracteristicas velocidad-par del motor de inducción bajo diversas condiciones (como
resistencias de rotor diferentes: r~, r~', r;" o voltajes de estator diferentes:
VI, V 2 ). Se dispone así de cuatro curvas distintas de velocidad-par y, por
lo tanto, puede correr el motor en cualquiera de las cuatro velocidadesN¡,
N 2 , N 3 Y N 4 para una carga dada. Obsérvese que a la derecha del par pico
se localiza la región de operación estable del motor. En la práctica, puede
cambiarse el deslizamiento del motor por uno cualquiera de los métodos
siguientes.
Control de velocidad en motores de inducción 287
v, >
'í» Tí'
V2
> ,;"
t
Velocidad _ _
Región de
operación estable
para una máquina
con voltaje de
estator VI Y
resistencia de
rotor r2'"
FIGURA 6.20 Control de velocidad cambiando el deslizamiento.
1. Método del voltaje de estator variable. Dado que el par electromágneti-
co es proporcional al cuadrado del voltaje aplicado, se obtienen diferentes curvas par-velocidad para distintos voltajes aplicados al motor. Para
una resistencia de rotor r 2 dada, se muestran dos curvas de este tipo
para dos voltajes aplicados VI y V 2 ; así, el motor puede correr a velocidades N 2 Ó N 4 • Si puede variarse continuamente el voltaje de VI a V 2 ,
la velocidad del motor puede también variar así entre N 2 y N 4 para
una carga dada. Este método se aplica a los motores de inducción tipo
jaula y a los de rotor devanado.
2. Método de la resistencia variable del rotor. Este método se aplica únicamente al motor con rotor devanado. En la figura 6.20 se muestra el
efecto de insertar resistencias externas en el circuito de rotor para tres
diferentes resistencias de rotor r~, r~' y r~". Para la carga dada son posibles tres velocidades de operación. Desde luego que para variación
continua de la resistencia de rotor, es posible la variación continua de
la velocidad.
3. Control mediante conmutación de estado sólido. Además del motor
impulsado por inversor, puede controlarse la velocidad de motor de
rotor devanado, insertando al inversor en el circuito de rotor, o controlando el voltaje de estator por medio de dispositivos de conmutación
288 Máquinas de inducción
de estado sólido, como rectificadores de silicio controlado (SCR o thyristores). La salida del SCR que alimenta al motor se controla ajustando
su ángulo de disparo. El método para hacerlo es similar al de voltaje variable delineado antes. No obstante, se ha encontrado que el control
mediante un SCR da un rango más amplio de operación y es más eficiente que otrosmetodosde control por deslizamiento (ver capítulo 8).
4. Control de velocidad mediante máquinas auxiliares. Existen otros diversos esquemas para controlar la velocidad del motor de inducción.
Incluyen concatenación, el motor Schrage, el control Kramer, el Scherbius, etc., descritos con algún detalle en la referencias 1 y 4.
En síntesis, debe señalarse que el método para regular la velocidad de un
motor de inducción controlando su deslizamiento es básicamente ineficiente
y puede tener además otras desventajas. El método basado en el control
de la velocidad síncrona es eficiente, aunque difícil de llevar a la práctica,
especialmente con máquinas sin escobillas (o tipo jaula) para variación continua de velocidad. Por lo que se ve está aún por desarrollarse un método
eficiente, económico y satisfactorio para el control de velocidad en motores
sin escobillas.
6.10 ARRANQUE DE MOTORES DE INDUCCION
En el capítulo anterior se estudiaron las condiciones de arranque de un motor de c.c. Para el arranque de uno de inducción se aplican condiciones en
cierta manera semejantes. Para acelerar el motor desde reposo hasta la velocidad de operación en régimen estacionario, la entrada de energía debe
ser mayor que la energía cinética del motor y carga, cuando menos en la
cantidad de las pérdidas totales. La corriente de entrada no debe ser excesiva para que se pueda cumplir lo anterior. Por ejemplo, no debe exceder
más de seis veces a la corriente en carga total. El par de arranque debe
ser alrededor de 1.5 veces el de carga total.
Considérese en primer término la limitación de corriente. Algunos de
los métodos comunes para limitar la corriente de estator en el arranque son:
1. Arranque con voltaje reducido. En el arranque, se aplica un voltaje re-
ducido al estator que se incrementa hasta el valor nominal cuando el
motor se encuentra en el 25% de su velocidad final. Este método tiene
la limitación evidente de requerir una fuente de voltaje variable y además el par de arranque cae sustancialmente. El llamado método Y -delta
de arranque es un caso de arranque en voltaje reducido. Si el estator
está normalmente conectado en delta, la reconexión a Y reduce el
voltaje de fase, generándose una corriente menor en el arranque. Por
Arranque de motores de inducción 289
FIGURA 6.21 Arranque Y-delta. Los conmutadores en W corresponden a la conexión
Y y en D a la delta.
ejemplo, durante el arranque, si la corriente de línea es alrededor de
cinco veces la corriente en carga total en un estator conectado en delta,
la corriente en la conexión Y será menor que dos veces el valor en carga
total. Sin embargo, al mismo tiempo, el par de arranque para una conexión Y sería alrdedor de un tercio de su valor en conexión delta. La
ventaja del arranque Y-delta es que no es caro y sólo requiere un conmutador de tres polos (o tres polos simples) doble tiro (o conmutadores de este tipo), como se muestra en la figura 6.21.
2. Limitación de corriente por resistencia en serie. Se usan resistencias en
serie, introducidas en las tres líneas algunas veces para limitar la corriente
de arranque. Estas resistencias se cortocircuitan una vez que el motor
gana velocidad. Este método tiene la desventaja obvia de ser ineficiente,
a causa de las pérdidas adicionales en las resistencias externas.
T
n
= ns
Velocidad
FIGURA 6.22 Efecto de modificar la resistencia de rotor sobre el arranque de un motor con rotor devanado.
290 Máquinas de inducción
Con referencia nuevamente al par de arranque, se señala otra vez que
depende de la resistencia de rotor, como se vio en la última sección.
De este modo, una resistencia de rotor alta, se traduce en un par de
arranque elevado. Por lo tanto, en un máquina con rotor devanado (ver
figura 6.22), puede usarse convenientemente la resistencia externa en el
circuito de rotor con un rotor de barra profunda, donde la profundidad de
la ranura es dos o tres veces más grande que su anchura (ver figura 6.23). Las
barras de rotor alojadas en ranuras profundas proporcionan una resistencia
efectiva alta y un par grande en el arranque. Bajo condiciones normales de
operación, con deslizamientos bajos, la resistencia del rotor, sin embargo,
llega a ser más baja y más alta la eficiencia. Esta característica de la resistencia de barra de rotor es una consecuencia del efecto pelicular. En virtud de
este efecto, la corriente tiende a concentrarse en la cima de las barras
durante el arranque, cuando la frecuencia de las corrientes de rotor es alta.
En este punto, la frecuencia de las corrientes de rotor será la misma que la
de entrada de estator (por ejemplo, 60 Hz). En operación normal, la
frecuencia de las corrientes de rotor (= frecuencia de deslizamiento = 3
Hz en % 5 de deslizamiento y 60 Hz,es mucho menor. A este nivel de
operación, el efecto pelicular es despreciable, y la corriente se distribuye
casi uniformemente en toda la sección transversal de la barra.
El efecto peculiar se usa en forma alterna en un rotor de doble jaula
(figura 6.24), donde la jaula interior está pro fundamente alojada en el hierro
y tiene barras de baja resistencia. En el arranque, a causa del efecto pelicular,
domina la influencia de la jaula exterior produciéndose así un par elevado de
arranque. Mientras se acelara, la corriente penetra a profundidad total dentro de la jaula inferior -por no haber casi efecto pelicular- lo que da lugar
a una operación eficiente en régimen estacionario. Obsérvese que bajo condiciones de velocidad normal, ambas jaulas llevan corrientes, incrementando
así un poco la capacidad del motor.
6.11 MOTORES DE INDUCCION MONOFASICOS
En secciones anteriores se consideraron el motor de inducción polifásico
-preferentemente el trifásico- operando bajo condiciones balanceadas.
Consideremos ahora un motor de inducción trifásico corriendo con carga
ligera. Si se desconecta una de las líneas de alimentación, el motor continúa corriendo, aunque a velocidad diferente. Una operación tal de un motor
de inducción trifásico puede considerarse como operación de un motor monofásico.
Considérese ahora el motor trifásico en reposo y alimentado por una
fuente monofásica. Obviamente, el motor no arrancará porque se tiene un
campo magnético pulsante en el entre hierro de aire, en vez de uno magné-
Motores de inducción monofásicos 291
(a)
(b)
FIGURA 6.23 a) Ranuras abiertas. b) Ranuras parcialmente cerradas.
FIGURA 6.24 Forma de ranuras para un motor de doble jaula.
tico rotatorio, que es el que se requiere para la producción del par, como
se analizó antes. Se concluye así que un motor de inducción monofásico no arranca por sí mismo, pero que si se arranca por algún medio continúa girando, lo que implica que para que arranque por sí mismo debe
dotársele de medios auxiliares de arranque. En una sección posterior se examinarán los diferentes medios de arranque del motor de inducción monofásico.
Sin considerar el mecanismo de arranque, la diferencia esencial entre
el motor de inducción trifásico y el monofásico radica en que éste tiene un
devanado de estator único que produce un campo de entrehierro de aire
estacionario en el espacio, pero alterno en el tiempo. El trifásico posee un
devanado de tres fases que produce un campo magnético rotatorio invariante
en el tiempo dentro del entrehierro de aire. El rotor del motor de inducción monofásico es casi siempre de tipo jaula, semejante al de un polifásico.
La capacidad de un monofásico de las mismas dimensiones que uno trifásico es menor, como era de esperarse y por lo general se especifica como
motor de potencia fraccionaria. Los motores monofásicos se usan profundamente en utensilios del hogar, en ventiladores, etc.
6.11.1 Análisis de operación de motores de inducción monofásicos
De lo que se ha expuesto antes, se insistirá en señalar que el campo magnético producido por el estatorde un motor monofásico es alterno en el tiempo.
El campo induce una corriente y, consecuentemente, una fmm en el circuito de rotor y gira con el rotor. Puede analizarse un motor de inducción
monofásico considerando las fmms, los flujos, voltajes inducidos (tanto por
rotación como por efecto de transformador) y las corrienteS' producidas
separadamente por el estator y por el rotor. Un método así conduce a la
292 Máquinas de inducción
teoría de campo cruzado. Empero, es posible también analizar el motor
monofásico de una manera semejante a la que se utilizó para el polifásico.
Se insistirá en que este último opera sobre la base de la existencia de un
campo magnético rotatorio. Este método se funda en el concepto de que
un campo magnético alterno equivale a dos campos magnéticos rotatorios
que giran en direcciones opuestas. Cuando este concepto se expresa matemáticamente, el campo alterno es de la forma
B( O, t) = Bm cos Osenwt
(6.50)
La ecuación (6.50) puede entonces reescribirse como
1
+"2 Bmsen(wt+ O)
(6.51 )
En (6.51), el primer término del segundo miembro es un campo magnético progresivo y el segundo término corresponde a uno regresivo. La
teoría basada en una resolución de un campo magnético alterno en dos
campos rotatorios encontrados u opuestos se conoce como teoría del campo de doble revolución. La dirección d.: rotación del campo progresivo se
supone coincidente con la del rotor. Df' esta manera, si el rotor gira a n rpm
y ns es la velocidad síncrona en rpm, f'i deslizamiento sr del rotor respecto
al campo rotatorio progresivo coincide con s, definido por (6.10), o sea:
ns-n
n
s1 = s = - - = 1- ns
ns
Pero el deslizamiento
da
Sb
del rotor respecto al flujo rotatorio regresivo lo
ns -( - n)
Sb
(6.52)
=
ns
n
=
1+ - = 2 - s
ns
(6.53)
Se conoce de la operación de motores polifásicos que n < n., (6.52) corresponde a operación motor y (6.53) denota la región de frenado. De este
modo, los dos pares resultantes tienen una influencia opuesta sobre el rotor.
La relación de par para el motor de inducción polifásico es aplicable
a cada uno de los dos campos magnéticos rotatorios del monofásico. ASÍ,
el par resultante de un motor de inducción monofásico puede escribirse
como
Motores de inducción monofásicos 293
li
(1-s)
li
(1-s)
T =----r -----r
e
Wm
S
2
W m (2 - S) 2
(6.54)
Se observa ahora de (6.51) que la amplitud de los campos rotatorios es un
medio del flujo alterno. Las reactancias de fuga y magnetizante del motor
pueden así dividirse equitativamente para corresponder a los campos rotatorios progresivos y regresivo. En la figura 6.25a se muestra el circuito equivalente aproximado de un motor de inducción monofásico, basado en la
teoría de campo de doble revolución. En la 6.25b se muestran las características par-velocidad en forma cualitativa. El ejemplo que sigue ilustra la
utilidad de ese circuito.
Ejemplo 6.7
Con referencia a la figura 6.25a, las constantes de un motor monofásico de
1/4 hp, 230 V, cuatro polos, 60 Hz son: rl = 10.0 n, XI = 12.8 n = X2 Y
x m = 258.0 n. Para un voltaje aplicado de 210 V, con deslizamiento
del 3%, calcular: a) la corriente de entrada, b) el factor de potencia; e) la
potencia desarrollada; d) la potencia en la flecha (si las pérdidas mecánicas
son de 7 W) y e) la eficiencia (si las pérdidas en el hierro son de 35.5 W en
210 V).
Para el circuito dado y con los datos proporcionados, se tiene
0.5r2=
S
0.5r2
11.65 =194.16Q
2xO.03
11.65
2-s = 2(2-0.03) =2.96Q
y
jO.5xm = j129Q
jO.5x2 =jO.5x, =j6.4Q
Para el circuito de campo progresivo
194.16Xj129
.
Zf= 194.16+jI29 =59.2+}86
y para el de campo regresivo
2.96Xj129
Zb= 2.96+jI29 ;;;;;;2.96
La impedancia total serie Ze es
Ze = Z, + Zf+ Zb =(10+ jI2.8) + (59.2+ j89) + 2.96= 124L 55°
294 Máquinas de inducción
x,
/,
+
0.5 r2
s
v
0.5 r 2 (2 - s)
O·5x m
(a)
Par por campo
positivo
/-
~
/
C1I
n.
'\
/
/
\
\
,/
/
/'
\
\
-- --
/ " / " Par por campo
negativo
/
,_ ......
/
/
(b)
FIGURA 6.25 a) Circuito equivalente para un motor monofásico, basado en la
teoría del campo de revolución. b) Características par velocidad de un motor
de inducción monofásico, basadas en la teoría del campo de revolución.
Motores de inducción monofásicos 295
1. Corriente de entrada
/=
V
Ze =
2. F¡¡.ctor de potencia cos 55°
210
o
124L55 0 = 1.7 L -55 A
= 0.573 (atraso)
3. Potencia desarrollada
0.5r2
0.5r
P = _
_ /2- _
_2 /2 ) (l-s)
( s f
d
2-s b
ya que s = 0.03 (pequeño). Pero V, = /Z, = 1.7 (59.2 + j89) = 182 V Y
V b = IZ b = 1.7 X 2.96 = 5.04 V. O sea
1822
5.042 )
Pd = ( 194 - 2.96 (1-0.03)= 156 W
4. Potencia en la flecha Ps = P d - Prot = 156 - 7 = 149 W
5. Potencia de entrada VI cos e = 210 X 1.7 X 0.573 = 204 W potencia
113.5
de salidaPs - Ph = 149 .. 35.5 = 113.5 W eficiencia - - = 55.6%.
204
6.11.2 Arranque de motores monofásicos
Se sabe ya que por carecer de campo magnético rotatorio, cuando el rotor
de un motor monofásico está en reposo, no es posible que arranque por sí
mismo. Los dos métodos para arrancar un motor monofásico son: introducir un conmutador y escobillas, como en un motor de repulsión, o bien
producir un campo rotatorio por medio de un devando auxiliar, como un
divisor de fase. A continuación se analizará este último método.
De la teoría del motor polifásico, se sabe que para tener un campo
magnético rotatorio debe disponerse de dos fmms cuando menos, desplazada una de la otra en el espacio y con corrientes que difieran en fase temporal.
Así, en un motor monofásico, un devando de arranque en el estator se
toma como segunda fuente de fmm. La primera de ellas proviene del devanado principal de estator. Enseguida se resumen los diversos métodos para
alcanzar los corrimientos en fases espacial y temporal entre las fmms de
devanado principal y de devanado de arranque.
1. Motores con fase dividida. En la figura 6.26a se representa esquemáticamente este tipo de motor, donde el devanado principal tiene una re-
296 Máquinas de inducción
sistencia relativamente baja y una alta reactancia. El devando de arranque,
sin embargo, posee una alta resistencia y una baja reactancia y tiene un interruptor centrífugo, como se indica. El ángulo de fase O' entre las dos
corrientes I m e Is es de 30 a 45°. El par de arranque T s lo da
(6.55)
donde K es una constante. Cuando el rotor alcanza una cierta velocidad
(alrededor del 75% de su velocidad final) entra en acción el interruptor
centrífugo y desconecta del circuito al devanado de arranque. La característica par-velocidad del motor con fase dividida es de la forma mostrada
en la figura 6.26b. Motores de este tipo se utilizan en, ventiladores, sopladores, etc. y se especifican para potencias hasta de 1/2 hp.
Es posible desarrollar un par de arranque fuerte por un motor con
fase dividida, insertando una resistencia en serie en el devando de arranque.
Un efecto en cierta manera similar puede obtenerse insertando una reactancia inductiva en serie en el devando principal. Esta reactancia se cortocircuita cuando el motor desarrolla su velocidad de operación.
2. Motores con capacitor de arranque. Es posible aumentar el ángulo O' en (6.55) conectando en serie un condensador con el devanado de arranque, como se muestra en la figura 6.27, con lo que el motor desarrollará
un par de arranque elevado. Motores de este tipo no se limita a capacidades
de potencia fraccionarias, pudiendo alcanzar hasta 10 hp. En 100 V, un
motor de un caballo requiere un condensador de 400 J.l F, aproximadamente, mientras que uno de 70 J.lF basta para un motor de 1/8 de caballo. Los
capacitores que se usan generalmente son electrolíticos de bajo costo y
pueden proporcionar un par de arranque que es casi cuatro veces el nominal.
s
=
s = O
1
~
(a)
Deslizamiento
(b)
FIGURA 6.26 a) Conexiones para un motor de fase dividida. b) Una característica
par-velocidad.
Motores de inducción monofásicos 297
'""''"' "' '1
e
Devanado de
arranque
Rotor
tipo jaula
principal
FIGURA 6.27 Un motor con capacitor de arranque.
Como se ilustra en la figura 6.27, el capacitar es simplemente una ayuda para el arranque y se desconecta por el interruptor centrífugo cuando
el motor alcanza una velocidad predeterminada. No obstante, algunos motores carecen del interruptor centrífugo; en éstos, se tienen el devanado
de arranque y el capacitar como elementos para operación permanente y
los capacitares son muchos menores. Por ejemplo, un motor de 100 V,
1/2 hp requiere una capacidad de 15 pF.
Una tercera clase de motores con capacitar emplea dos capacitares:
uno que se deja permanentemente en el circuito junto con el devanado de
arranque y el otro que se desconecta por el interruptor centrífugo. Estos
motores son, de hecho, motores de inducción bifásicos desbalanceados.
3. Motores de polo sombreado. Otro método para arrancar motores
de inducción monofásicos muy pequeños es mediante el uso de una banda
sombreante sobre los polos, como se muestra en la figura 6.28, donde el devanado principal monofásico se arrolla también sobre los polos salientes.
La banda sombreante es simplemente una tira de cobre cortocircuitada
arrollada sobre una porción del polo. Un motor de este tipo se conoce
como motor de polo sombreado. El objeto de la banda sombreante es
retardar la parte del flujo que pasa por ella en relación al flujo que emerge
del resto de la cara del polo. De esta manera, el flujo en la parte sin sombra alcanza su máximo antes que el ubicado dentro de la parte con sombra.
Se tiene así un desplazamiento progresivo del flujo desde la dirección de
la parte sin sombra hacia la sombreada del polo, como se muestra en la
figura 6.28. El efecto del desplazamiento progresivo del flujo es semejante
al de un flujo rotatorio y a causa de ello la banda sombreante proporciona un par de arranque. Los motores con polo sombreado son los menos
298 Máquinas de inducción
+
v
Rotor tipo
jaula
Espira de
,.."........,- sombra
FIGURA 6.28 Un motor con polo sombreado.
costosos de los motores de caballos de potencia fraccionarios y se especifican hasta 1/20 de hp.
En resumen, en este capítulo se estudiaron las características de régimen estacionario de motores de inducción polifásicos y monofásicos,
operando bajo condiciones balanceadas. En el capítulo 9 se tratan temas
adicionales relacionados con el motor de inducción, como su dinámica y
operaciones des balanceadas. En el 8 se introducen el control con estado
sólido de motores de inducción.
Bibliografía
1. A. S. Langsdorf, Theory of A lternating Current Machinery, McGraw-Hill Book Company, Nueva York, 1955.
2. D.C. White, and H.H. Woodson, Electromechanical Energy Conversion, John Wiley
& Sons, Inc. Nueva York, 1959.
3. S. Seely, Electromechanical Energy Conversion, McGraw-Hill Book Company, Nueva York, 1962
4. A.F. Puchstein, T.C. Lloyd, and A.G. Conrad, Alternating-current Machines, Tercera Edición, John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1954.
Problemas
6.1. Un motor de inducción de cuatro polos, 60 Hz, corre en 1710 rpm. Calcular:
a) el deslizamiento por ciento, b) la frecuencia de las corrientes de rotor y c), la
velocidad de campo magnético rotatorio producido por i) el estator y ii) el rotor, respecto al estator, en rpm y en radfseg.
6.2. Un motor de inducción con rotor devanado, de dos polos, 60 Hz, tiene 120 V
por fase en las terminales del estator. El voltaje inducido es de 3.81 V por fase.
Problemas 299
6.3.
6.4
6.5.
6.6.
6.7.
Si se supone que el estator y el rotor tienen iguales números efectivos de vueltas
por fase, calcular: a) la velocidad del motor y b), el deslizamiento.
Un motor de inducción tipo jaula está constituido por 42 barras, cada una con una
resistencia de 4.12 X 10-5 Ohms (incluyendo la resistencia de los dos anillos
terminales). El devanado de estator tiene los datos siguientes: seis polos, trifásico, 36 ranuras, 144 vueltas por fase, y un factor de devanado de 0.836. Calcular
la resistencia de rotor equivalente por fase que se refiera al estator.
La potencia que cruza el entrehierro de aire de un motor de inducción es de 24.3
kW. Si la potencia electromagnética desarrollada es 21.9 kW, ¿cuál es el deslizamiento. La pérdida rotacional en este deslizamiento es 350 W. Calcular el par de
salida si la velocidad síncrona es de 3600 rpm.
Obtener una expresión para el deslizamiento, utilizando la figura 6.17a, en el que
el motor desarrolle el par máximo. Establecer una expresión para este par.
Un motor de inducción trifásico, 230 V, 60 Hz, de dos polos conectado en Y,
opera con un deslizamiento del 3% mientras toma una corriente de línea de 22 A.
La resistencia de estator y la reactancia de fuga por fase son 0.1 y 0.2 Ohms,
respectivamente. La reactancia de fuga del rotor es de 0.15 Ohms. Calcular: a)
la resistencia de rotor, b) la potencia que cruza el entrehierro de aire y e) la potencia desarrollada. No considerar a X m •
Las constantes por fase de un motor de inducción, conectado en Y, trifásico,
cuatro polos 600 v, 60 Hz, con rotor devanado son:
r¡ = 0.75 n
r2
6.8.
6.9.
6.10.
6.11.
6.12.
= 0.80n
X¡=X 2 =2.0n
X m =50.0n
No se consideren las pérdidas por núcleo. a) Calcular el deslizamiento para el que
tiene lugar el par máximo desarrollado, b) encontrar el valor del par máximo; e)
especificar el rango de velocidad para una operación estable del motor y d), calcular el par de arranque y compararlo con el máximo.
Repetir las partes a) y b) del problema 6.7, considerando sólo el circuito de rotor.
Suponer r¡ = X¡ = O, en cuyo caso pueden tomarse 600 V como el voltaje de
línea aplicado al rotor.
Un motor conectado en Y, dos polos, 25 Hz, 440 V, tiene una reactancia magnetizante de 10.5 Ohms por fase y una reactancia de fuga de rotor de 0.12 Ohms
por fase. Usando sólo el circuito de rotor, determinar el deslizamiento para un par
electromagnético máximo y una resistencia de fuga de rotor por fase de a) 0.03
Ohms, b) 0.06 Ohms y e) 0.1 Ohms. De estos resultados, mostrar el efecto de la
resistencia de rotor sobre las características par-velocidad del motor. No tomar
en cuenta a rl Y XI'
Para el motor del problema 6.7, determinar el valor por fase de la resistencia que
deba conectarse en el circuito de rotor para obtener el par máximo del motor al
arrancar.
Esbozar cualitativamente las características par-velocidad de un motor de inducción, comparándolas con las normales y mostrando los efectos de lo que sigue:
a) variación de la frecuencia, conservando constante el voltaje aplicado;
b) variación del voltaje aplicado, conservando constante la frecuencia.
Un motor de inducción, conectado en Y, de cuatro polos, 60 Hz, trifásico, 220
300 Máquinas de inducción
V, tiene una resistencia de estator por fase de 0.25 Ohms. Las pruebas sin carga
y de rotor bloqueado dieron los datos que siguen para este motor:
voltaje de estator en prueba sin carga = 220 V
corriente de entrada = 3.0 A
potencia de entrada = 600 W
pérdida por razonamiento y vendaval =300 W
Prueba de rotor bloqueado: voltaje de estator = 34.6 V
corriente de entrada = 15.0 A
potencia de entrada = 720 W
a) Obtener el circuito equivalente aproximado para la máquina.
b) Si la máquina opera como motor con un 5% de deslizamiento, calcular la potencia desarrollada, el par desarrollado y la eficiencia.
e) Determinar el deslizamiento para el que ocurre el par máximo y calcular el
valor de éste.
Capítulo 7
Máquinas
,
slncronas
Las máquinas síncronas se encuentran entre los tres tipos más cm J.unes de máquinas eléctricas. Las otras dos, la máquina con conmutado' en
C.c. y la máquina de inducción polifásica, se consideraron en los capít 110s
precedentes. La mayor parte de la potencia eléctrica para el uso diario se
produce mediante geb.eradores síncronos polifásicos, que son las máquinas
eléctricas más grandes de una sola unidad que se fabrican. Por ejemplo, son
muy comunes los generadores síncronos de algunos centenares de megavolts-ampere (MV A) y se espera que en los próximos años se produzcan
algunos de miles de MV A. Estas máquinas se denominan síncronas porque
operan a velocidades y frecuencias constantes bajo régimen estacionario.
Como la mayoría de las máquinas rotatorias, una máquina síncrona es capaz de operar como motor o como generador. No obstante, ya que muy
pocos impulsores industriales funcionan a velocidades fijas, rara vez encuentran las máquinas síncronas aplicaciones como motores de impulsión,
en comparación con los motores de inducción o de c.c. Encuentran más
bien una amplia aplicación como generadores, algunos de ellos operan en
paralelo en estaciones de potencia, donde comparten la carga con cada uno
de los otros y, en un tiempo dado, alguno puede no soportar carga. En un
caso así, en lugar de apagarlo, se le permite "flotar" en la línea en calidad
de motor síncrono sin carga. En una sección posterior se analizará una operación de este tipo de un motor síncrono.
La operación de un generador síncrono se basa en la ley de Faraday
de inducción electromagnética, y funciona de una manera muy semejante
a uno de c.c., en el que la generación de fmms se realiza por el movimiento
relativo de conductores y flujo magnético. Sin embargo, es obvio que un
generador síncrono no posee un conmutador como el de c.c. Las dos par-
301
302 Máquinas sI'ncronas
tes fundamentales de una máquina síncrona son la estructura de campo
magnético, con un devanado excitado con c.c., y la armadura, que frecuentemente cuenta con un devanado trifásico en el que se genera la fem alterna. Casi todas la máquina síncronas modernas tienen armaduras estacionarias
y estructuras de campo rotatorias. El devanado de c.c. en la estructura de
campo rotatoria se conecta a la fuente externa a través de anillos colectores
y escobillas (véase nuevamente en el capítulo 6 la construcción del motor
de inducción de tipo anillos colectores). Algunas estructuras de campo no
disponen de escobillas, sino más bien de excitación sin escobillas, mediante diodos rotarorios. En algunos aspectos, el estator que lleva los devanados
de armadura es similar al de un motor de inducción polifásico, estudiado
en el último capítulo. En la sección siguiente se analizarán algunos de las
características de construcción de máquinas síncronas.
7.1 CARACTERISTICAS DE CONSTRUCCION DE MAQUINAS
SINCRONAS
Algunos de los factores que norman la construcción de la máquina síncrona son los siguientes:
1. Forma de excitación. La estructura de campo es por lo general el
miembro rotatorio de una máquina síncrona y se alimenta con un
devanado excitado con c.c. para producir el flujo magnético. La
excitación de c.c. puede proporcionarse mediante un generador de
c.c. autoexcitado que se monta en la misma flecha que el rotor de la
máquina síncrona. A este generador se le conoce como el excitador.
La corriente continua generada de esta manera alimenta al devanado
de campo de la máquina síncrona como se muestra en la figura 7.1. En
máquinas de baja velocidad con capacidades elevadas, como generadores hidroeléctricos, el excitador puede no ser autoexcitado, sino
que con excitador piloto, autoexcitado o con imán permanente se
activa al excitador (figura 7.7). Los problemas de mantenimiento
de generadores de c.c. directamente acoplados imponen limitaciones a esta forma de excitación en capacidades de 100 MW.
Otra forma de excitación se obtiene con diodos de silicio y thyristores, que no ofrecen problemas de excitación para máquinas síncronas grandes. Los dos tipos de sistemas de excitación con estado
sólido son:
a) Sistemas estáticos con diodos estacionarios o thyristores, en los
que se alimenta la corriente al rotor a través de anillos colectores.
b) Sistemas sin escobillas, con rectificadores montados en flecha y
que giran con el rotor, evitando así la necesidad de escobillas
y anillos colectores. La figura 7.2 muestra un sistema de excitación sin escobillas.
Construcción de máquinas síncronas 303
FIG URA 7.1 Vista en corte de una máquina síncrona de polos salientes (Cortesía de General Electric Company).
2. Estructura de campo y velocidad de máquina. Se mencionó ya que
la máquina síncrona es una máquina de velocidad constante. Esta
velocidad ns ' conocida como velocidad síncrona, la da (6.9). Se
repite en seguida esta ecuación por convenir así:
1201
p
n=-s
(7.1)
De esta manera, una máquina síncrona de dos polos, 60 Hz, debe
girar a 3600 rpm, mientras la velocidad síncrona de una de 12 polos, 60 Hz, es de sólo 600 rpm. La estructura de campo de rotor
depende entonces de la velocidad de la máquina. Así, los turbogeneradores, que son máquinas de alta velocidad, tienen rotores redondos o cilíndricos (ver figuras 7.3 Y 7.4). Los generadores
hidroeléctricos y díeseleléctricos son máquinas de baja velocidad
y tienen rotores de polos salientes, como se ve en las figuras 7.5 y
7.6. Estos rotores son menos costosos en su fabricación que los
304 Máquinas síncronas
FIGURA 7.2
6 kV.
Rotor de un generador síncrono sin escobillas, de 3360 kV A Y
Flujo de campo
Devanado de campo
FIGURA 7.3
Devanado de campo en un rotor redondo.
Construcción de máquinas síncronas 305
FIGURA 7.4 Rotor a turbina con enfriamiento de agua directo, durante el
montaje de los conductores huecos de amortiguamiento.
Flujo de campo
Devanado de campo
FIGURA 7.5
Devanado de campo en un rotor con salientes.
306 Máq umas
. s(ncrolUlS
FIGURA
MV
A, 13.87 .6
RotorSla
dede
Brown
una m' . síncrona de 152.5
Boveride
compan;~uma
kA (Corte'
polos
salientes
Construcción de máquinas s{ncronas 307
redondos. Los de polos salientes no son adecuados en máquinas de
alta velocidad, a causa de las fuerzas centrífugas excesivas y esfuerzos mecánicos elevados que desarrollan en velocidades del orden
de las 3600 rpm.
Otro aspecto en la construcción de una máquina síncrona procede del montaje del rotor. Por ejemplo, una máquina impulsada por
turbina con rotor redondo (figura 7.4) o una impulsora con diesel
con rotor saliente (figura 7.1) tiene un rotor montado horizontalmente. Una máquina impulsada con rodete de agua (figura 7.7) tiene invariablemente un rotor de polo saliente, montado en forma
vertical.
3. Estator. El estator de una máquina síncrona es semejante al de un
motor de inducción polifásico (ver figura 7.8). No hay, esencialmente, diferencia entre el estator de una máquina de rotor redondo
y uno de máquina con rotor saliente. Los estatores de los generadores hidroeléctricos, tienen, no obstante, por lo general una armadura de diámetro grande en comparación con otros tipos de
generadores (figura 7.9). El núcleo de estator está formado por
paquetes en laminados de alta calidad, con devanados imbricados
alojados en ranuras.
4. Enfriamiento. Puesto que las máquinas síncronas se construyen en
dimensiones extremadamente grandes, se diseñan para portar corrientes sumamente altas. Una densidad de corriente de armadura
típica puede ser del orden de 10 A/mm en una máquina de buen
diseño. Además, la carga magnética del núcleo es tal que se satura
en muchas regiones. Las cargas eléctrica y magnética severas en una
máquina síncrona producen calor, que debe disiparse convenientemente. De esta manera, la forma en que las partes activas de una
máquina se enfrían, determina su estructura física global. Además
de aire, algunos de los refrigerantes usados en máquinas síncronas
incluyen agua, hidrógeno y helio. La figura 7.4 muestra un rotor
a turbina con enfriamiento directo con agua, durante el montaje
de los conductores huecos de amortiguamiento. En la 7.9 se muestra la disposición de enfriamiento del estator de un generador a
turbina.
5. Barras de amortiguamiento. Hasta aquí sólo se ha hecho referencia
a dos devanados de una máquina síncrona: el de armadura trifásico
y el de campo, Se indicó, asimismo que en régimen estacionario,
opera la máquina a velocidad constante, a la síncrona precisamente.
No obstante, como cualquier otra máquina eléctrica, la síncrona experimenta transitorios durante el arranque y bajo condiciones anormales. Durante los transitorios, el rotor puede soportar oscilaciones
mecánicas y su velocidad se aparta de la síncrona, lo que constituye
un fenómeno indeseable. Para contrarrestar este fenómeno, se monta
308 Máquinas s{ncronas
FIGURA 7.7 Montaje de un rotor de un generador hidroeléctrico (Cortesía
de Brown Boveri Company).
Construcción de máquinas síncronas 309
FIGURA 7.8 Proceso de montaje de conductores en las ranuras de un medio
estator de una máquina síncrona (Cortesía de Brown Boveri Company).
310 Máquinas slncronas
FIGURA 7.9 Región de devanado terminal de un generador a turbina (Cor.
tesÍa de Brown Boveri Company).
Principio de operación 3 11
en el rotor un conjunto adicional de devanados que semejan la jaula
de un motor de inducción. A este conjunto se le llama devanado
amortiguador y se ilustra en las figuras 7.1,7.4 y 7.6. Cuando la velocidad del rotor difiere de la síncrona, se inducen \,;orrientes en el
devanado de amortiguamiento, que actúa como el rotor de jaula
del motor de inducción, produciendo un par que restaura la velocidad síncrona. Además,las barras de amortiguamiento proporcionan
un medio de arrancar la máquina como motor síncrono, que de
otra manera no sería de arranque propio.
En resumen, las figuras 7.1 a 7.9 muestran los diversos aspectos estructurales de diferentes tipos de máquinas síncronas. En principio, la máquina tiene tres devanados eléctricos: la armadura, el campo y el amortiguador,
localizados en el estrator yen el rotor, como se ilustra en la figura 7.1. En
la sección que sigue se inicia el estudio de una máquina síncrona en su forma más simple.
7.2 PRINCIPIO DE OPERACION
Se mencionó antes que una máquina síncrona es capaz de operar como motor generador. En esta sección se considerarán los aspectos cualitativos de la
acción de una máquina síncrona,.primeramente como motor yen seguida
como generador.
7.2.1 Operación de un motor síncrono
De la discusión de la sección 7.1, se observa que hay semejanza entre el rotor de polo saliente de una máquina síncrona y el de Uno de reluctancia,
discutido en el capítulo 4. De esta manera, de los principios de almacenamiento y conversión de energía desarrollados en el capítulo 4, puede mostrarse cómo una máquina síncrona polifásica opera en calidad de motor. Se
demostró en el último capítulo que una excitación trifásica, como la que
se encuentra en el estator de un motor de inducción, da lugar a un campo
magnético rotatorio en el entrehierro de aire de la máquina. Con referencia a la figura 7.l0a, se tendrá un campo magnético rotatorio en el entrehierro de aire de una máquina de polo saliente cuando sus devanados de
estator (o de armadura) se alimentan de una fuente trifásica. El rotor tendrá entonces siempre una tendencia a alinearse con el campo, con el objeto
de ofrecer la trayectoria de menor reluctancia. Así, si el campo gira, el rotor tenderá a girar con él. En la figura 7.10b se ve que un rotor redondo
no tenderá a seguir al campo magnético rotatorio, pues el entrehierro de
aire uniforme ofrece la misma reluctancia en todo su alrededor y el rotor
no tiene ninguna dirección de preferencia para alinearse con el campo magnético. Este par, que se tiene en la figura 7.10a pero no en la 7.l0b, se de-
312 Máquinas síncronas
Eje rotor
Eje de la fase a
+----t---
(a)
(b)
FIGURA 7.10 a) Un motor síncrono trifásico con rotor de polos salientes.
b) Un motor síncrono trifásico con rotor redondo.
nomina par de reluctancia. Está presente en virtud de la variación de la
reluctancia alrededor de la periferia de la máquina.
Considérese en seguida que el devanado de campo (figura 7.10a o b)
se alimenta con una fuente de c.c. que produce un campo magnético de
rotor con polaridades definidas. Por el principio de alineamiento de campos (capítulo 4), se concluye que cuando se excita el rotor, tiende a alinearse con el campo de estator y tenderá a girar con el campo magnético
rotatorio. Se observa que para un rotor excitado, tanto un rotor saliente
Principio de operación 3 13
como uno redondo tenderán a girar con el campo magnético rotatorio,
aunque el primero tendrá un par de reluctancia adicional en virtud de la
protuberancia. En una sección posterior, se establecerán expresiones para
el par electromagnético en una máquina síncrona, atribuible a la excitación
de campo y a la protuberancia.
Hasta este punto se ha indicado el mecanismo para producir par en
una máquina de rotor redondo y en una de protuberancia. Para recapitular,
puede decirse que el campo magnético rotatorio de estator tiene una tendencia a "arrastrar" consigo al rotor, como si un polo norte en el estator
"se ligara" con uno sur en el rotor. Empero, si el rotor está en reposo, los
polos de estator tenderán a hacer que el rotor gire en una dirección y
en seguida en la otra, al girar ellos y barrer a través de los polos del rotor.
Por consiguiente, un motor síncrono no arranca por sí mismo. En la práctica, como se mencionó antes, el rotor lleva barras amortiguadoras que
actúan como la jaula en un motor de inducción, proporcionando con ello
un par de arranque. Una vez que arranca el rotor, alcanzando casi la velocidad síncrona, se orienta en posición con los polos de estator. El rotor se
empareja con el campo magnético rotatorio y gira con la velocidad síncrona, dejando de operar las barras de amortiguamiento. Cualquier diferencia
con la velocidad síncrona se traduce en corrientes inducidas en las barras
de amortiguamiento, que tienden a restaurar la velocidad síncrona. Las
máquinas que carecen de estas barras o máquinas muy grandes que sí las
tienen, pueden arrancarse mediante un motor auxiliar. Se discutirán posteriormente las características de un motor síncrono, aunque primeramente
se analizará la operación de una máquina síncrona accionando como generador.
7.2.2 Operación de un generador síncrono
Como el generador de c.c., un generador síncrono funciona en base de la
ley de Faraday. Si el flujo que eslabona a la bobina cambia en el tiempo,
se induce en ella un voltaje. Dicho de otra manera, un voltaje se induce en
un conductor si corta líneas de flujo magnético. Considerando la máquina
que se muestra en la figura 7.l0a sin tomar en cuenta los efectos de distribuciones de devanado, (es decir, se consideran bobinas concentradas para
cada fase), se encuentra que la distribución de densidad de flujo en el entrehierro de aire, producida por el devanado de campo, es
(7.2)
El flujo que eslabona una bobina de N vueltas, de radio r y longitud axial
se calcula como sigue:
eslabonamiento de flujo por polo = A= N
f
'TT/2
-'TT/2
B( O )/rdO
(7.3)
314 Máquinas slncronas
Las (7.2) Y (7.3) dan
(7.4)
De la figura 7.10a es obvio que cuando a = 0, A. es máxima y nula para a
= O. El valor de A. para cualquier posición a de rotor es, de (7.4),
(7.5)
El voltaje inducido en la bobina de N vueltas, correspondiente a la fase a, en
nuestro caso se obtiene de la ley de Faraday y de acuerdo con (7.5), da
v = - dA = _ dA da =2NB /rwsena
a
dI
da dI
m
donde da/dt
wt y 2Bm Ir
(7.6)
= w, es la velocidad del rotor. Además, puede ponerse a =
= ifl en (7.6) para obtener la forma final para el voltaje, como
(7.7)
donde V m = W N ifl. La conclusión evidente es que para una distribución
de densidad de flujo sinusoidal producida por el devanado de campo en el
rotor, el voltaje inducido en la fase "a" es sinusoidal y su frecuencia! = 21T
/w depende de la velocidad de rotor.
Se considerará en seguida la máquina de rotor redondo de la figura
7.10, donde la distribución de densidad de flujo producido por la fmm de
rotor en el entrehierro de aire es uniforme. De acuerdo con la regla del
"corte de flujo", el voltaje inducido en la bobina de N vueltas es, para un
instante dado,
Va
= B/U i.
(7.8)
donde U 1, B Y I son mutuamente perpendiculares. La velocidad lineal U se
relaciona con la angular mediante U = rw y, según la figura 7.1 Ob, su componente vertical es U 1 = U sen a. Sustituyendo estas expresiones en (7.7)
con a = wt, se obtiene
(7.9)
lo que implica también una generación de voltaje sinusoidal en la fase a.
0
Puesto que las fases b y e están desplazadas de la a en 120 , pueden escribirse los voltajes correspondientes como
(7.10)
Algunas consideraciones prácticas 315
(7.11)
En la figura 7.11 se representan gráficamente las expresiones anteriores.
7.3 ALGUNAS CONSIDERACIONES PRACTICAS
Antes de considerar los métodos de análisis usuados en máquinas síncronas
que llevan a la determinación de sus características operacionales, se revisarán algunas de las suposiciones hechas o involucradas en las discusiones
anteriores. En primer lugar, al obtener la ecuación de voltaje en la sección
7.2.2 se representó un devanado de fase por una bobina de N vueltas. En
realidad, no es esto válido, como se analizó en el capítulo 6. Se insiste, de
la sección 6.1, que un devanado de fase está distribuido alrededor de la periferia del estator. El paso de bobina del devanado es una fracción del paso
polar, lo que significa que el devanado puede tener un paso fraccionario. Para tener en cuenta la distribución de devanado y el paso fraccionario, se
utiliza el factor de devanado Kw < 1, dado por
C·12)
mediante el cual se reduce el voltaje en una bobina de paso completo y
concentrada de N vueltas. En (7.12), Kd es el factor de distribución y Kp
es el de paso, definidos en la sección 6.1. Al distribuir un devanado de fase
en las ranuras alrededor del estator, la distribución resultante de fmm se
diseña teóricamente para aproximarse a una sinusoide tanto como sea posible. No obstante, en la realidad un devanado de armadura contiene armónicas, como indica la representación en serie de Fourier de la distribución
de fmm. Para mayores detalles, véanse las referencias 2 y 3.
En segundo lugar, para una máquina con polo saliente, se supuso una
distribución de flujo sinusoidal en el entrehierro de aire. Esta es una suposición ideal nuevamente; en la práctica, la distribución de campo es no
sinusoidal y se aproxima a la forma mostrada en la figura 7.12b. Sin considerar la reluctancia de la porción de hierro del circuito magnético, se encuentra que la permeancia de cada tubo de flujo es proporcional a la razón
entre su sección transversal media y su longitud media. Así, la distribución de permeancia se conoce alrededor de la periferia del estator. Conocida
la distribución de fmm, puede obtenerse la distribución de densidad de
flujo.
En tercero, hasta este punto de dis.cusiones no se ha hecho ninguna
consideración acerca de la presencia de ranuras y dientes. De las figuras
7.13 a y b, es evidente que hay una variación de permeancia para el flujo
de entrehierro de aire a causa de las ranuras y dientes, que dará lugar a
que la forma de campo contenga fluctuaciones o rizos, como se muestra
Voltaje
inducido
FIG URA 7.11 Voltaje trifásico producido por un generador síncrono trifásico.
Estator
o
Rotor
\
\--\
(a)
Posición a lo largo del estator
(b)
FIG URA 7.12 a) Distribución espacial de campo: líneas de flujo; líneas equipotenciales. b) Distribución de densidad de flujo.
316
Algunas consideraciones prácticas 3 17
Polo de campo
ranuras del
<'/
;//
estator
(a)
(b)
Ondulaciones en
la densidad de
flujo originadas
Armadura
(e)
FIGURA 7.13 a) Distribución espacial de densidad de flujo cerca de las puntas
de dientes. b) Variación de permeancia a lo largo de la superficie de armadura.
e) Distorsión en la distribución espacial de flujo originada por las ranuras de
armadura.
318 Máquinas síncronas
l.lnea de entrehierro de aire
Curva de
saturación
c:
Q)
Q)
.~
"'O
>
t
_ _ Corriente de campo
FIGURA 7.14 Características en circuito abierto de una máquina síncroná.
en la figura 7.13c, llamados rizos de diente. Estos rizos crean armónicas
en las fems inducidas, de frecuencias superiores a los 60 Hz, (por ejemplo
de 875 Hz). Las frecuencias, a su vez, originan ruido magnético. Un diseño
adecuado, como disponer de un número grande de ranuras con aberturas
pequeñas comparadas con el entrehierro de aire, o de ranuras oblicuas, o
bien, con un número de ranuras múltiplo no entero del número de polos,
reduce los rizos de diente en un máquina síncrona. En la figura 7.14 se
muestra, finalmente, el efecto de saturación sobre el voltaje en circuito
abierto.
7.4 CARACTERISTICAS DE OPERACION DE MAQUINASSINCRONAS
Se examinarán ahora algunas de las características de operación en régimen
estacionario de las máquinas síncronas desde un punto de vista cuantitativo. Se considerará, por convenir así, la operación generador independientemente de la motor. Los detalles del método de análisis para la máquina
con rotor redondo diferirán en cierta manera del procedimiento para una con
polo saliente. En cualquier caso, el análisis necesita de los parámetros de
máquina, que deben identificarse antes de proceder con los pormenores
analíticos.
Puesto que por ahora sólo se analiza el comportamiento en estado estacionario de la máquina, no será necesario tomar en cuenta las constantes
de circuito del campo y de los devanados amortiguadores. La presencia del
devanado de campo se denotará con el flujo producido por la excitación
de campo. Respecto al devanado de armadura, se le representará sobre una
Caracterlsticas de operación de máquinas slncronas 319
Conexión terminal
Flujo de
dispersión en
la conexión
terminal
Conductor
activo
Flujos de dispersión en ranuras
FIGURA 7.15 a) Trayectoria de flujo de fuga en la conexión terminal.b) Trayectorias de flujo de fuga en ranuras.
base por fase (como se hizo con el motor de inducción en el capítulo 6).
Desde luego que este devanado posee resistencia, aunque el valor óhmico
de ella debe incluir los efectos de la temperatura de operación y de las corrientes alternas que fluyen en los conductores de armadura (que dan lugar,
por ejemplo, al efecto pelicular), por lo que el valor de la resistencia de armadura se hace mayor en comparación a su resistencia en c.c. A este valor
mayor se le conoce como resistencia efectiva y se le denota con ra' Como
valor aproximado de esta ra se toma 1.6 veces el valor de la resistencia c.c.
Se consideran en seguida las reactancias asociadas al devanado de armadura. En primer término, a la de fuga la originan los flujos de fuga que
eslabonan sólo a los conductores de armadura, en virtud de las corrientes
en ellos. Estos flujos no eslabonan con el devanado de campo. Como en el
motor de inducción, se divide, por conveniencia, esa reactancia de fuga en:
a) reactancia de fuga por conexión terminal; b) reactancia de fuga por ranura; c) reactancia de fuga por zig-zag de punta de diente y d) reactancia
de fuga por cinturón. No todas estas componentes tienen importancia en
cualquier máquina síncrona; en la mayoría de las grandes máquinas las dos
últimas representan una parte pequeña de la reactancia de fuga total.
320 Máquinas sincronas
En las figuras 7.15 a y b se muestran las trayectorias de flujo que contribuyen a las reactancias por conexión terminal y por ranura. Con Xa se
denota la reactancia de fuga total del devanado de armadura por fase. Para
proceder con el análisis, considérese en primer término un generador sÍncrono con rotor redondo. Se introducirá además el concepto de rectancia
síncrona, el parámetro de mayor importancia para determinar las características en régimen estacionario de una máquina síncrona.
7.4.1 Operación de un generador síncrono de rotor redondo
Para iniciar, se desea puntualizar que se estudiará la máquina sobre una base por fase, implicando operación balanceada. De este modo, considérese
una máquina con rotor redondo operando como generador sin carga. Sea V o
el voltaje de fase en circuito abierto para una cierta corriente Ir de campo.
Aquí, V o es el voltaje interno del generador. Se supone que If es de tal
magnitud que la máquina opera bajo condición nO saturada. En seguida,
cortocircuítese la armadura en las terminales, conservando sin modificar
el valor If de la corrriente de campo y mídase la corriente de fase la de
armadura. En este caso, el voltaje interno total V o cae a través de la impedancia interna de la máquina. Matemáticamente
(7.13)
y Zs es la llamada impedancia síncrona. Una parte de Zs es 'a y la otra
la reactancia X s ' conocida como reactancia síncrona; es decir,
Zs= ra + jX,
(7.14)
En (7.14) X s es mayor que la reactancia de fuga de armadura analizada
con anterioridad. ¿De dónde proviene la reactancia adicional? En la dis"
. cusión que sigue se intentará responder esta pregunta.
Supóngase que el generador suministre una corriente de fase la a una
carga con factor de potencia unidad y con un voltaje terminal V t voltjfase.
Esta relación se muestra en el diagrama fasoríal de la figura 7.16 donde Va
es la suma fasorial de V t y la caída debida a la resistencia de armadura y
a la reactancia de fuga de armadura. Nótese que se tienen ahora dos fmms:
Fa' atribuible a la corriente de armadura y Ff a la corriente de campo presente en la máquina. Para encontrar la fmm Fr que produce el voltaje Va'
véase en la figura 7.17 la característica en circuito abierto del generador,
que muestra la Fr correspondiente a Va' El flujo producido por una fmm
está en fase con ella. De acuerdo con la ley e = -N dcjJjdt, el voltaje producido por un cierto flujo está, no obstante, atrasado en 90° respecto a la fmm.
Por consiguiente, se traza Fr 90° adelante de Va y Fa en fase con la' como
se ilustra en la figura 7.16. La fmm Fn se conoce como fmm de ,eacción
Características de operación de máquinas síncronas 321
de armadura. El campo debe suministrar una fmm suficiente para sobrepasar a Fa' de tal suerte que se disponga de una F r neta para producir a Va'
A causa de Fa' se traza a partir de F r , una componente igual y opuesta Fa
de la fmm de campo, como se muestra en la figura 7.16. El fasor Ff es entonces la fmm de campo total en la máquina. Correspondiente a esta fmm,
el voltaje en circuito abierto del generador es V o ' dado por la figura 7.17.
Este voltaje se conoce como fem inducida nominal y se muestra también en
la figura 7.16. De la geometría del diagrama de fasores, puede verse con facilidad que los triángulos OST y OQR son semejantes. Se observa también
que QR es perpendicular a OP y que debe pasar por P, pues OP = V t + la
r a • De esta manera, QRP es una línea continua y se tendrá
(7.15)
donde X s ' reactancia síncrona, concuerda con las definiciones (7.12) Y
(7.13). La reactancia adicional, aunada a la Xa (figura 7.16), se introduce
por la reacción de armadura. Por lo tanto, la reactancia síncrona es la suma de la reactancia de fuga de armadura y la reactancia de reacción de
armadura.
En una máquina síncrona real, excepto en las sumamente pequeñas,
se tiene siempre X. » ra X s « ra , en cuyo caso Zs === jX•. Esta restricción se usará en la mayor parte del análisis. Entre las características de régimen estacionario de un generador síncrono, las más importantes son las
de regulación de voltaje y de ángulo de potencia. Como se hizo para un
transformador y un generador de c.c., se define aquí la regulación de voltaje de un generador síncrono para una carga dada, como
v-vIX 100
regulación de voltaje en % = o
VI
(7.16)
FIGURA 7.16 Diagrama fasorial para un generador con rotor redondo con
factor de potencia unidad (para definir X.)
322 Móquinas síncronos
o
V. 1 - - - - - - 6 1 '
3!
u
::l
"O
oS
.,
¡
o
>
t
~Fmm
FIGURA 7.17 Características en circuito abierto de un generador síncrono.
donde V t es el voltaje terminal con carga y V o es el terminal sin ella. Obviamente, para un V t dado, puede encontrarse V o de (7.14) y de aquí la regulación de voltaje, como se ilustra en el ejemplo que sigue.
Ejemplo 7.1
Calcular la regulación de voltaje en % para un turboalternador trifásico,
conectado en Y de 2500 kV A, 6600 V, operando en carga total y con un
factor de potencia de 0.8 en atraso. La reactancia síncrona por fase y la
resistencia de armadura son lOA y 0.0071 Ohms, respectivamente.
Es obvio que se tiene X s »ra' En la figura 7.18a se muestra el diagrama fasorial para el factor de potencia en atraso, no considerando el efecto de ra' Los valores numéricos son las siguientes
~=
6600
- - =3810 volt
V3
1 = 2500 x 1000 =218.7 A
a
V3 x6600
De (7.14),
Vo=381O+ 218.7(0.8 - jO.6)jlO.4= 5485 L 19.3 0
y
., d e vo1t'
regu1aClon
aje en % = 5485-3810
3810
x 100 = 4407
10
Características de operación de máquinas síncronas 323
Ejemplo 7.2
Repetir los cálculos anteriores con el mismo factor de potencia, pero en
adelanto.
En este caso, se tiene el diagrama de fasores de la figura 7.18b, del que
se obtiene
Vo= 3810+ 218.7(0.8 + jO.6)jlO.4 = 3048 L 36.6°
y
., d e volt'
regu1aClOn
aje en % = 3048-3810
3810
X
100 = - 2001
70
Se observa de los dos últimos ejemplos que la regulación de voltaje
depende del factor de potencia en la carga. A diferencia de lo que acontece
en un generador de c.c., la regulación de voltaje para un generador síncrono
puede áun llegar a ser negativa. El ángulo entre V o y V t se define como 8,
ángulo de potencia. Para justificar esta definición, reconsideremos la figura
7 .18b, de la cual se tiene
(7.17)
De (7.16) Y (7.17),
(7.18)
que muestra que la potencia interna de la máquina es proporcional a sen &.
De la ecuación (7.18) se dice a menudo que representa la característica de
ángulo de potencia de una máquina síncrona.
I
a "'......
...... "'"\
il.X.~X.
~:::""....--I.._-----"-¡I Vt
.........
.......... -J
/
I
I
/
V
t
I
(h)
(a)
FIGURA 7.18 Diagramas fasoriales. a) Factor de poetencia en atraso. b) Factor
de potencia en adelanto.
324 Máquinas s(ncronas
7.4.2 Operación de un motor síncrono con rotor redondo
Salvo para ciertos cálculos de precisión, puede despreciarse la resistencia de
armadura en comparación con la reactancia síncrona. Es por esta razón que
el circuito equivalente por fase en régimen estacionario de una máquina
síncrona se reduce al que se muestra en la figura 7.19a. Nótese que este circuito es similar al de una máquina de c.c., donde se ha sustituido la resistencia de armadura en c.c. por la reactancia síncrona. En la figura 7.19a se
indica el voltaje terminal V t , el voltaje V o de excitación interna y la corriente la de armadura "penetrando" a la máquina o "emergiendo" de ella,
dependiendo del modo de operación: "penetrando" para motor y "emergiendo" para generador. Con la ayuda de este circuito y (7.18), se estudiarán algunas de las características de operación en régimen estacionario para
un motor síncrono. En la 7 .19b se muestran las características de ángulo
de potencia, dadas por (7.18). Aquí, la potencia y la o positivas implican
la operación generador, mientras que una (j negativa corresponde a la operación motor. Como o es el ángulo entre V o y V t , V o adelante a V t en un
generador, mientras que en un motor V t adelante a V o ' La ecuación de
balance en voltaje en un motor es
(7.19)
Si el motor opera en potencia constante, (7.17) y (7.18) requieren
que
(7.20)
Se insiste en que V o depende de la corriente de campo Ir' Considérense dos casos: 1) Ir se ajusta de tal suerte que V o < V t y la máquina está
subexcitada; 2) Ir se incrementa hasta un valor para el cual V o > V t y la
máquina llega a sobreexcitarse. En la figura 7.20a se muestran las relaciones
a-
1
Potencia
Motor
x,
------~~~-------+
+
---¡;;-
Generador
v,
(a)
-
- - - Generador
M otor
(h)
FIGURA 7.19 a) Un circuito equivalente aproximado. b) Características de
ángulo de potencia de una máquina síncrona.
Caracteristicas de operación de máquinas síncronas 325
""
" /" \ \
\
\
\
\
\
\
,
v,\
(a)
(b)
FIGURA 7.20 a) Diagramafasorial para la operación motor. (V'o. ¡'a. ep' yo')
corresponden a operación subexcitada. (V" o. ¡"a. ep" y o") corresponden a
operación sobreexcitada. b) Curvas V de un motor síncrono.
voltaje-corriente para los dos casos. Para V o > V t en potencia constante, o
es mayor que la o para V o < V p de acuerdo con (7.20). Obsérvese que un
motor subexcitado opera en un factor de potencia en atraso (la está atrasada respecto a V t ), mientras que uno sobreexcitado opera con un factor
de potencia en adelanto. En ambos casos, el voltaje terminal y la carga en
el motor son los mismos. De este modo, se observa que el factor de potencia operante del motor se controla variando la excitación de campo y,
consecuentemente, alterando a V o ' Esta es una propiedad sumamente importante de los motores síncronos. En la figura 7.20a se muestra también
326 Máquinas síncronas
el lugar de la corriente de armadura en carga constante, de acuerdo con
(7.20). De aquí pueden obtenerse las variaciones de corriente la de armadura con la de campo 1f (correspondiente a V o ) y esto puede hacerse para
diferentes cargas, como se ilustra en la figura 7.20b. Estas curvas se conocen como las curvas V del motor síncrono. Una de las aplicaciones de un
motor síncrono es la corrección del factor de potencia, como se muestra
en ejemplo siguiente.
Ejemplo 7.3
Una carga trifásica, conectada en Y, absorbe una corriente de 50 A en un
factor de potencia de 0.707 en atraso, con 220 V entre líneas. Un motor
síncrono, trifásico, conectado en Y con rotor redondo y con reactancia
síncrona de 1.27 Ohms por fase, se conecta en paralelo con la carga. La
potencia desarrollada por el motor es de 33 kW en un ángulo de potencia
de 30° . Sin considerar la resistencia de armadura, calcular: a) los kVA reactivos del motor y b) el factor de potencia global del motor y la carga.
En la figura 7.21 se muestran el circuito y el diagrama fasorial, sobre
base por fase. De (7.18), se tiene
+
Motor
Vt
(a)
,,/\
",
1
\
\.
\
\
,
\
v,\
FIGURA 7.21 a) Diagrama de circuito. b) Diagrama de fasores.
Características de operación de máquinas síncronas 327
1
Pd ="3
220
Vo
x 33,000= V3 1.278 sm30
o
lo que da V o = 220 V. Del diagrama fasorial, laXs = 127 o la = 127/1.27
= 100 A Y l/>a = 30°. Los kVA reactivos del motor =ftVla =
=..j3
X 220 X 100 sen 30°
1000
= 19 kVAr.
El ángulo l/> de factor de potencia global lo da
de donde l/> = 7° Y cos l/> = 0.992 en adelanto.
7.4.3 Máquinas síncronas de polos salientes
En lo anterior, se analizó la máquina con rotor redondo y se utilizó ampliamente el parámetro de máquina que se definió como reactancia síncrona.
En virtud de la protuberancia, la reactancia medida en las terminales de una
máquina con rotor saliente variará en función de la posición de roto~, lo
que no sucede en la de rotor redondo (ver también el capítulo 4: Motor
de reluctancia).
Para superar esta dificultad, usamos la teoría de dos reacciones, propuesta por André Blendel (ver también la sección 9.5). La teoría propone
descomponer las fmms de armadura dadas en dos componentes mutuamente perpendiculares, una a lo largo del eje del polo saliente de rotor, conocido como eje directo (o eje d) Y la otra en cuadratura, conocida como eje
de cuadratura (o eje q). La componente de fmm F d' según el eje d, puede
ser magnetizante o desmagnetizante y la F q , a lo largo del eje q, se traduce
en un efecto magnetizante cruzado. Así, si la amplitud de la fmm de armadura es Fa' entonces
(7.21)
y
(7.22)
donde 1/1 es el ángulo de fase entre la corriente la de armadura y el voltaje
interno V o (o de excitación). En términos de distribución espacial, se
muestra en la figura 7.22 las fmms y 1/1. Los efectos de Fd YF q se manifiestan en la producción de voltajes. En vía de ilustración, considérese un generador de polo saliente, con un voltaje terminal alimentando a una carga
328 Máquinas slncronas
Eje - d
Eje-q
FIGURA 7.22 Fmm de armadura y sus componentes d y q.
con factor de potencia en atraso (cos cp ) y absorbiendo una corriente de
fase la' De acuerdo con la condición de operación (corriente de campo dada), se conoce también el voltaje V o sin carga a partir. de las características
correspondientes. Estas características (Vt • VOl la y (J ) se muestran en la
figura 7.23. Para construir este diagrama, se toma a V o como fasor de referencia y se desprecia la resistencia de armadura. Ahora, con carga en virtud
de la sola reacción de armadura, V o se reducirá a Va' en función de Vd y
V q , originados por Fd y F q , respectivamente. De Va se obtiene V t restando la caída de reactancia de fuga en armadura laXa' Si no se toma en cuenta
a Va' puede afirmarse que la diferencia entre V o y V t es atribuible a la
reactancia de reacción de armadura y a la fuga de armadura; es decir, a
la reactancia síncrona. Puede resolverse la en sus componentes a lo largo
de los ejes d y q: Id e Iq , respectivamente, del mismo modo que la caída
IaXs mostrada en la figura 7.23 como Id X d e Iq X q . Se completa así el diagrama fasorial (ver el ejemplo siguiente). Pueden darse interpretaciones físicas a las reactancias X d y Xq ; a saber, las reactancias de eje directo y de
eje de cuadratura y los valores máximo y mínimo de la reactancia síncrona
de una máquina de polos salientes respectivamente. Estas reactancias pueden medirse experimentalmente como se verá en una sección posterior. Las
discusiones precedentes son válidas sobre una base por fase para una máquina balanceada. Con el ejemplo que sigue se mostrarán los detalles de algunos de los cálculos.
Ejemplo 7.4
Un generador síncrono de polos salientes trifásico, conectado en Y, de 20
kVA, 220 V Y 60 Hz, alimenta una carga nominal en un factor de potencia
de 0.707 en atraso. Las constantes por fase de la máquina son ra = 0.05 n
y X d = 2 X g = 4.0 n. Calcular la regulación de voltaje para la carga especificada.
Caracteristicas de operación de máquinas sincronas 329
FIGURA 7.23 Diagrama fasorial de una máquina de polos salieI)tes
V¡ = 220 = 127 volt
v'3
1 =
a
20,000
v'3 x220
= 52.5 A.
</>=cos-10.707=45°
De la figura 7.23, se tiene
Id = Iasen( S + cp)
Iq=Iacos(S+cp)
V/senS = IqXq = IaXq cos( S + cp)
o bien
52.5x2xO.707
=037
127 + 52.5 X 2 X 0.707
.
o sea
S=20.6°
I d = 52.5sen(20.6 +45) =47.5 A.
IdXq =47.5 x4= 190.0 V
Vo = V/cosS+IdXd
= 127cos20.6+ 190=308
330 Máquinas síncro1llls
La regulación de voltaje en % =
v.-v.
oV. / X 100%
/
El ejemplo anterior muestra la manera en que el diagrama de faso res
de la figura 7.23 puede emplearse para determinar la regulación de voltaje de
un generador síncrono de polo saliente. De hecho, el diagrama fasorial
describe las características de operación completas de la máquina. Por
ejemplo, para obtener las características del ángulo de potencia de una máquina de polo saliente, operando como generador o como motor, véase la
figura 7.23. De esta figura, se tiene, despreciando a ra y las pérdidas internas,
potencia de salida = V,Iacos«/>=potencia desarrollada =Pd
(7.23)
y
IqXq= V,sen8
(7.24)
IdXd = Vo - V¡ cos l)
Además,
I d =l,pen( 8+«/»
(7.25)
Iq = la cos( 8 -«/»
Sustituyendo (7.25) en (7.24) y resolviendo para la cos <p se obtiene
Vo
V¡
V/
la cos«/> = ysen8+ 2X sen28- 2X sen28
d
q
(7.26)
d
Finalmente, la sustitución de (7.26) y (7.23) da
(7.27)
Esta variación de la potencia desarrollada Pd , en función del ángulo de potencia 5 se muestra en la figura 7.24. Obsérvese que la potencia resultante
se forma con la potencia debida a la protuberancia -el segundo término
en (7.27) y la que origina la excitación de campo- el primer término en
:(7.27). Obviamente, cuando X d = X g , la máquina carece de protuberancia
y sólo el primer término en (7.27) es diferente de cero, lo que representa
Transitorios en máquinas síncronas 331
Potencia debida a la
saliente,
V?
-2 (....!.... - ...1..) sen 28
Xq
X
d
\ /
'\
\
\
).,
Potencia debida a la excltacl6n
de campo. VtVo sen 8
Xd
\
/
\
----~~--~~--~~--~----~-----8
Motor
-
Generador
FIGURA 7.24 Características de ángulo de potencia de una máquina de polos salientes.
la característica de ángulo de potencia en una máquina con rotor redondo.
Por otra parte, si no hubiera excitación de campo, lo que conduciría a Vo
= 0, se anularía el primer término de (7.27). Se tendrían entonces las características de ángulo de potencia de una máquina de reluctancia, dadas
por el segundo término, descutidas también en el capítulo 4. Como en una
máquina con rotor redondo discutida con antelación, las características
de ángulo de potencia dadas por (7.27) corresponden tanto a la operación
motor como a la generador. El término & es positivo para el último y negativo para el primero.
7.5 TRANSITORIOS EN MAQUINAS SINCRONAS
En las secciones precedentes se concentró la atención sobre el comportamiento en régimen estacionario de las máquinas síncronas. En esta sección
se verán sucintamente algunos casos que involucran transitorios en máquinas síncronas. Son de particular interés a) el cortocirucito repentino en
las terminales de armadura de un generador síncrono y b) los transitorios
mecánicos originados por un cambio súbito en la carga de la máquina. Hay
otros casos numerosos que presentan transitorios en máquinas síncronas,
pero que no se considerarán aquí.
Se sabe, de consideraciones anteriores, que puede determinarse la operación de una máquina si se conocen sus parámetros para una determinada
condición. Por ejemplo, se han expresado ya las características de ángulo
332 Máquinas síncronas
de potencia en régimen estacionario de una máquina síncrona de polos salientes en términos de las reactancias de ejes d y q. En forma semejante, las
constantes mediante las cuales se conoce el comportamiento transitorio de
una máquina síncrona, son las reactancias transitorias y subtransitorias y
las constantes de tiempo pertinentes. Estas cantidades se definen en la
subsección que sigue, refiriéndolas al estudio de un cortorcircuito de armadura.
7.5.1 Cortocircuito repentino en las terminales de armadura
Al principio no se supo so saturación y se despreciaron las resistencias de
todos los devanados: de armadura, de campo y de amortiguamiento. De
esta manera, sólo permanecieron las inductancias, implicando que el flujo que eslabonaba con un circuito cerrado (o armadura) no variara instantáneamente, de acuerdo con el teorema de eslabonamiento de flujo constante. Dicho de otro modo, la suma de los eslabonamientos de flujo era
constante para cada devanado. Con estas suposiciones en mente, considérese una máquina de rotor redondo (figura 7.25) Y obsérvese la fase a y el
devanado de campo. Sea If la corriente de campo para t = O. Con anterioridad a t = O, se supone abierta laa armadura. En t = O, el devanado de armadura se cortocircuita súbitamente, cuando el eje de fmm de la fase
a se encuentra en ángulo recto con el del devanado de campo. Esto tiene
lugar de tal suerte que no nay acoplamiento mutuo entre los devanados. Es
obvio que en t = O el flujo Aa que eslabona con la armadura es cero. Empero, el que eslabona con el devanado de campo Af = L/f , donde Lf es la inductancia de devanado de campo. Se puede separar a Lf de tal manera que
(7.28)
donde L¡ es la inductancia de fuga de campo y Lad es la mutua entre
los devanados de campo y de armadura. Así, Lad corresponde también a la
reactancia de reacción de armadura. Puede reescribirse d f usando (7.28)
como
(7.29)
donde
7f
=LdLad
es el coeficiente de fuga de campo.
Transcurrido un tiempo t, supóngase que el rotor gira un ángulo e (ver
figura 7.25) en cuyo caso ia e ir + Ir fluirán a través de 1.os devanados de
campo y armadura, para mantener los eslabonamientos de flujo con estos
devanados. Por lo tanto, para el devanado de armadura se tiene
(7.30)
~
•
I \
Transitorios en máquinas sincronas 333
IEje del campo
I
Eje de la fase a
FIGURA 7.25 Máquina trifásica de rotor redondo (sólo la fase a y el devanado de campo llevan corrientes).
donde 7 a = X¡/wL ad es el coeficiente de fuga de armadura. De igual m mera, para el devanado de campo, se tiene
A¡= (~+ /¡ )LaA 1 + 7¡) + iaLadsenO
=/¡La
Al + 7¡)
(7.31 )
Al resolver (7.30) y (7.31) para ia e ir se obtiene
.
[ (1 + 7¡ )senO] /¡
1=
a sen
20-(1+7 )(1+7¡)
a
.
(sert- O) /¡
I¡= - sen20- (1 + 7 0 )(1 + 7¡)
Los valores máximos de estas corrientes tienen lugar en
caso, se tiene
(7.32)
(7.33)
e = 1rJ2. En este
(7.34)
(i)
=
f máx
/
¡
7o + (1 - 7o )7¡
(7.35)
...
334 Máquinas slncronas
Al multiplicar el numerador de (7.34) por wL ad se obtiene
(7.36)
donde V o = W La d 1f es el voltaje inducido (interno), X f = W La d r f es la reactancia de fuga del campo y XI = wLad -ra es la reactancia de fuga de armadura. El circuito que corresponde a (7.36) se muestra en la figura 7.26 Y
la reactancia de entrada de este circuito es la reactancia transitoria X'd de
eje directo.
En seguida, para incluir los efectos de los devanados de amortiguamiento en el eje directo, observamos que el efe<;:to de devanado no se distingue
en impacto del de devanado de campo, salvo por la corriente que llevan.
Así, en el eje d, se tienen ahora en paralelo los devanados de armadura, de
campo y de amortiguamiento, como se muestra en la figura 7.27, donde
x D d es la reactancia de fuga de devanado. De esta figura, se tiene la reactancia sub transitoria dada por
(7.37)
donde
XI
XJ--
X{
XI
Xi-
FIGURA 7.27 Circuito equivalente para la reactancia subtransitoria.
Transitorios en máquinas síncronas 335
Una vez definidas X'd para tomar en consideración el devanado de campo y x" d para indicar el efecto del devanado de amortiguación, se puede
ahora tener presentes las diversas resistencias al determinar la corriente de
cortocircuito en la armadura. Obtener una solución explícita de esa corriente, incluyendo los efectos de X'd y X"d' es una tarea sumamente laboriosa y se sale de los alcances de este libro. Sin embargo, puede llegarse a
algunas conclusiones útiles e importantes acerca de la forma de onda de corriente transitoria mediante el razonamiento que sigue. Se supone que tiene
lugar un cortocircuito repentino en las terminales de armadura cuando la
corriente de régimen estacionaria pasa por cero, en cuyo caso la forma de
onda de corriente será como la mostrada en la figura 7 .28. Aquí la razón
de descenso de los picos consecutivos la determina la constante de tiempo de los devanados. La corriente decae con el transcurso del tiempo en
virtud de existir resistencias. El devanado de amortiguamiento posee la
constante de tiempo más pequeña. De esta manera, la corriente máxima es
V o /X"d. El efecto del amortiguador perdura sólo durante los primeros ciclos. En seguida, X'd determina la corriente máxima, de valor V o !X'd. Finalmente, X d limita la corriente de régimen estacionario.
En la tabla 7.1 se dan valores típicos por unidad de diversas reactancias de máquinas síncronas.
Tabla 7.1 Reactancias de máquina síncrona por unidad
Reactancia
Máquina con rotor redondo Máquina con polos salientes
1.0 to 1.25
0.65 to 0.80
0.35 to 0.40
0.20 to 0.30
0.20 to 0.3
1.0 to 1.2
0.15 to 0.25
0.10 to 0.15
0.10 to 0.15
En esta tabla, los valores por unidad se basan en las especificaciones de
máquina.
7.5.2 Transitorios mecán icos.
La ecuación mecánica de movimiento de la máquina síncrona es
(7.38)
donde Te es el par desarrollado por la máquina, T m es el par aplicado externamente; J es el momento de inercia del sistema en rotación (incluyendo
la ~arga o móvil principal) y b es el coeficiente de rozamiento, incluyendo el amortiguamiento eléctrico.
336 Máquinas sincronas
~
Envolvente de
la corriente
Vo/x~
1
~~;~-~++++~~HHHH+t44++++----~
~er:do--+--
"'"/~P-e-rf-Od-O-----:;:;~--transitOrlo
Estado
permanente
su btran sltorlo
FIGURA 7.28 Gráfica de corrientes de armadura versus tiempo en un generador cortocircuitado.
Por vía de ilustración, considérese una máquina de rotor cilíndrico de
dos polos y supóngase que es pequeña la frecuencia de la oscilación mecánica, de tal suerte que pueden usarse las características de ángulo de potencia
en régimen estacionario. Nótese que este análisis es solamente aproximado.
La potencia por fase desarrollada por la máquina la da
VoY¡
Pd = ---y-sen8
(7.39)
s
que representa también el par eléctrico a una escala diferente . Con Llo
°m'
Ll Te Y Ll T m se representarán los cambios sufridos por e m' T e y T rn' respectivamente, originados por un cambio de carga brusco, de tal manera
que (7.39) se hace
(7.40)
El cambio en el par eléctrico es, de (7.39)
(7.41 )
donde w m es la velocidad mecánica del rotor y coincide con la síncrona
en régimen permanente. En (7.41), para voltajes constantes, sólo varía sen
o para cambios en la carga. Para variaciones pequeñas, Ll(sen o) ~ LlO. Además, Lle m ::::: LlO; el número de polos es dos. Por lo tanto, (7.41) se hace
Transitorios en máquinas síncronas 337
(7.42)
Se ve de la figura 7.24 que .l Te es negativo para la operación generador, así
que en (7.42), ke =- (Va VdwmXs)' De (7.40) y (7.42), se tiene
(7.43)
que es una ecuación diferencial lineal de segundo orden en términos de o,
ángulo de potencia. Si se compara esta ecuación con la ecuación diferencial
de segundo orden de un sistema mecánico, se observa que la frecuencia natural de oscilación y la razón de amortiguamiento son, respectivamente,
(ver capítulo 4):
{K:
VJ
w ='
n
K=
(7.44)
b
(7.45)
2VK}
Ejemplo 7.5
Una máquina con rotor cilíndrico, de 30 hp, 220 V, trafásica, conectada
en Y, 60 Hz y 3600 rpm, alcanza su velocidad nominal, sin carga, mediante un motor auxiliar y se conecta en seguida repentinamente a una fuente
trifásica de 220 V, en la secuencia de fase adecuada. Analizar los transitorios mecánicos a partir de los siguientes datos:
reactancia síncrona/fase = 2 Ohms
voltaje de excitación Va de (7.39) = 150 V/fase
momento de inercia de las partes rotatorias = 1.5 unidades MKS
par b de amortiguamiento de (7.40) = 12 Nw-m/rad/seg
Si se denota .lo con o', se encuentra que la ecuación de movimiento
es, de (7.43),
2
Jd 8' +b d8 ' +K 8'=0
dt2
dt
e
(7.46)
En (7.46), Ke se conoce como par sincronizante. Para operación motor,
Ke (para la máquina trifásica) se obtiene de
(7.47)
338 Máquinas slncronas
Para la máquina dada, V o = 150 V, V t = 2201 y'3 = 127 V, X s = 2.0 n y
1r rad/seg. Sustituyendo estas expresiones en (7.47), se obtiene
w m = 120
127x3 =756 N- / d
Ke = 150x
120'lTx2
m ra
La ecuación (7.46) se hace, consecuentemente,
(1.5p2+ 12p+756)8'=0
(7.48)
De (7.44) Y (7.45) y (7.48) se tendrá
W n'=
~=
..VTI
fi56 =22.5 rad/s
12
=0.178
2V756X 1.5
En ciclos por segundo, la frecuencia natural de oscilación se obtiene de
o sea
J, =
n
W
n
2'17
= 22.5 =3.6 e/s
2'17
Para la mayoría de las máquinas,
0.2<fn<2
~;;:;0.2
Si se conocen
ecuación
~
y w n , puede obtenerse el comportamiento mecánico de la
(7.49)
donde
(7.50)
y l)'.. es el ángulo de potencia en régimen estacionario. Obsérvese que (7.49)
es la solución de (7.46) para ~ < 1.
Determinación de las reactancias de máquina 339
7.6 DETERMINACION DE LAS REACTANCIAS DE MAQUINA
La reactancia síncronaXs de una máquina con rotor cilíndrico puede obtenerse a partir de pruebas en circuito abierto y en cortocircuito de la máquina. En la figura 7.29 se muestran las curvas de saturación en circuito
abierto y la corriente de armadura en régimen estacionario, sobre una base
por fase. Para una corriente de campo de 2 A, la corriente en cortocircuito
es de 25 A, mientras que el voltaje en circuito abierto es de 57 V. En consecuencia, la impedancia síncrona es 57/25 = 2.48 il. Sin considerar la resistencia de armadura, Zs ~ X s = AC/BC = 2.48. Como se indica en la figura
7.29, X s varía con la saturación.
Para la máquina con polos salientes menester que se conozcan X d y
X q • El significado físico de estas reactancias se analizó antes, señalándose
que eran los valores máximo y mínimo de la reactancia de armadura, respectivamente para diferentes posiciones de rotor. Estas reactancias se determinan con la prueba de deslizamiento, en la que se excita la máquina
con una fuente trifásica (para una máquina trifásica) y se impulsa mecánicamente a una velocidad que difiera ligeramente de la síncrona. El
devanado de campo queda sin excitación y en circuito abierto. Se toman
100
Linea del entreh ierro
de aire
sin carga
t
~ 75
tU
'f-
5c.
.ª
U>
!:
o
.?
::J
.g
100 o
~ 50
S
5o
tU
o
C
cQ)
'¡¡;
~
~
::J
-g
::J
'O
E25
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tU
Q)
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Q)
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'O
Q)
Sc
~
o
>
Q)
';:
O~------~~------~--------~------~O
O
4
6
Corriente de campo(A) -
FIGURA 7.29 Datos experimentales para determinar X •.
(;
u
340 Máquinas síncronas
los oscilo gramas de la corriente de armadura y de los voltajes de armadura
y de campo inducido. En la figura 7.30 se muestran estas magnitudes. La
razón de la corriente máxima de armadura a la mínima de la razón X d /Xq •
Por ejemplo, del diagrama, se encuentra que X d /X q = 1.6. Si se conoce X d
de las pruebas de circuito abierto y cortocircuito descritas antes para la
máquina con rotor cilíndrico, puede calcularse X q • Existen otros métodos
para la determinación de estas reactancias y el lector particularmente interesado en ellos puede consultar las referencias 2 y 3.
Las reactancias transitorias y subtransitorias x' d y x" d se determinan
registrando las corrientes trifásicas al aplicar un cortocircuito a la máquina
cuando gira sin carga a la velocidad de régimen. Por lo general, las corrientes en las diversas fases no son simétricas respecto al eje de los tiempos. No
obstante, pueden determinarse X'd y X"d 1) por eliminación de la componente de c.c. y 2) de un oscilograma como el de la figura 7.28.
-- ...... - --- ---
Envolvente del
voltaje de armadura
¡
--t'-- . . -..,.'" ---\'...... . . _-+-,"
I
I
I
Corriente
de armadura
--++~~4-+-~r1-+~;-T-~~-t-+iH--------~t
Envolvente
FIGURA 7.30 Oscilo gramas de la prueba de deslizamiento.
Motores slncronos pequeños 341
7.7 MOTORES SINCRONOS PEQUEÑOS
Se han supuesto, hasta este punto, que las máquinas síncronas trifásicas estudiadas son de grandes dimensiones (del orden de varios centenares de kW
o aún mayores), pues se han considerado en función de posibles aplicaciones a sistemas de potencia eléctrica. Sin embargo, hay numerosas aplicaciones que requieren motores síncronos de capacidades pequeñas (esto
es, de hp fracionarios). Más a menudo, este tipo de motores se diseña para
operar con una alimentación monofásica y no requiere una excitación de
c.c. o el uso de imán permanente. Desde este punto de vista, el motor sÍncrono de caballaje fraccionario difiere considerablemente de su contrapartida trifásica, que posee una capacidad relativamente grande. Los dos tipos
de motores ¡¡íncronos pequeños son el motor de reluctancia y el de histéresiso Estos motores se emplean en relojes, cronómetros, tornamesas, etc.
7.7.1 El motor de reluctancia
En cierta medida se está familiarizado con el motor de reluctancia, como
puede recordarse del ejemplo 4.2. Se conoce que el par en este motor es
semejante al que resulta por la protuberacia en un motor síncrono de polos salientes. Puede también recordarse que el par, promediado en el tiempo, de un motor de reluctancia, sólo difiere de cero en una velocidad
correspondiente una frecuencia dada y que las características de ángulo de
potencia del motor se analizaron en el ejemplo 4.2.
Un motor de reluctancia arranca como uno de inducción, aunque opera normalmente como uno síncrono. El estator de un motor de reluctancia
es semejante al de uno de inducción (monofásico o trifásico). Así, para
arrancar un motor monofásico, puede emplearse cualquiera de los métodos
discutidos en la sección 6.11. Un motor de reluctancia trifásico arranca por
sí mismo cuando se inicia como uno de inducción. Después de arrancar, para acelerarlo hasta su velocidad de régimen y en seguida operarlo como uno
síncrono, el motor trifásico debe tener una resistencia de rotor pequeña. En
la figura 7.31 se muestra una construcción típica de un rotor de cuatro polos.
Aquí, el aluminio en las ranuras y en los espacios donde se removieron
los dientes, sirve como rotor de un motor de inducción para el arranque.
7.7.2 El motor de histéresis
Como el motor de reluctancia, el de histéresis no tiene excitación en c.c.,
aunque sí difiere de aquél en que no posee rotor con protuberancia. En lugar de rotor, lleva un anillo de material magnético especial, como cromo,
acero o cobalto, montado en un cilindro de aluminio o de algún otro material no magnético, como se indica en la figura 7.32. Su estator se asemeja al de uno de inducción y se arranca como éste.
342 Máquinas síncronas
Dientes y ranuras de una horadación
(dibujado~ exageradamente)
FIGURA 7.31 Rotor de un motor de reluctancia
~nillo de histéreris
~
A,bol"o m,,"''''o
FIGURA 7.32 Rotor de un motor de histéresis
Con el objeto de comprender la operación del motor de histéresis,
pueden considerarse las pérdidas por histéresis y por corrientes de torbellino en el rotor. Se observa que, como en uno de inducción, el rotor tiene
una cierta resistencia equivalente. La potencia disipada en esta resistencia
determina el par electromagnético desarrollado por el motor, como se discutió en el capítulo 6. Puede concluirse que el par electromagnético desarrollado por un motor de histéresis tiene dos componentes: una por las
pérdidas por corrientes de torbellino y la otra por las de histéresis. Se sabe
que las pérdidas por corrientes de torbellino pueden expresarse como
(7.51 )
donde Ke es una constante; f 2 es la frectlencia de las corrientes de torbellino y B es la densidad de flujo. En términos del deslizamiento s, la frecuencia f2 de rotor se relaciona con la ti de estator mediante
12=s11
(7.52)
Así, (7.51) Y (7.52) dan
(7.53)
El par Te se relaciona con Pe por (ver capítulo 6)
T
e
=.!!..
SW
s
(7.54)
Motores sincronos pequeños 343
(a)
(b)
i
o~------------~-'-- Velocidad síncrona
- - - Velocidad
(e)
FIGURA 7.33 a) Rotor de hierro sin histéresis en un campo magnético. b) Un
rotor con histéresis en un campo magnético. e) Características de par de un motor con histéresis.
de tal suerte que (7.53) y (7.54) dan
Te=K's
(7.55)
donde K = Ke f2 • B /w. es una constante.
En seguida, para la pérdida por histéresis, se tiene
1
2
(7.56)
y para el par correspondiente se obtiene
(7.57)
donde K" =Kh f l Bl. 6 /w s es una constante.
Obsérvese que la componente Te, dada por (7.55), es proporcional al
344 Máquinas síncronas
deslizamiento y decrece en la medida que el rotor adquiere velocidad. Eventualmente es cero a la velocidad síncrona. Esta componente ayuda en el
arranque del motor. La segunda componente T n , dada por (7.57), permanece constante en todas las velocidades de rotor y es el único par cuando el rotor alcanza la velocidad síncrona. La base física de este par es el
fenómeno de histéresis, que ocasiona un retraso del eje magnético del rotor
respecto al del estator. En las figuras 7.33a y b, respectivamente, la ausencia y la presencia de histéresis se muestran medidas por el corrimiento del
eje magnético del rotor. El ángulo de atraso, mostrado en la figura 7.33b,
hace que el par se produzca por histéresis. Como se dijo arriba, este par no
depende de la velocidad del rotor (mostrada en la figura 7.33c) hasta que
se presenta el corte de par.
Bibliografía
1. V. J. Vickers, "Recent trends in turbogenerators," IEE-Reviews, Proceedings of the
lEE Vol. 121 No. llR, Nueva York, Noviembre 1974, páginas 1273-1306.
2. A. S. Langsdorf, Theory of Alternating Current Machinery, McGraw-Hill Book Company, Nueva York, 1955.
3. M. Liwschitz-Garik C. C. Whipple, Alternating Current Machines, Reinhold Company,
Nueva York, Van Nostrand, 1961.
Problemas
7.1 Un generadór síncrono en 60 Hz alimenta a un motor de inducción de ocho polos,
que corre con un deslizamiento del 2%. ¿Cuál es la velocidad el motor? ¿A qué ve·
locidad debe correr el generador si tuviera a) dos polos? y b) si tuviera seis polos?
7.2 La distribución de densidad de flujo producida por la fmm de campo de una má·
quina síncrona con rotor saliente de dos polos es sinusoidal, con amplitud de 0.75
Tesla. Si el rotor corre a 3600 rpm, calcular la frecuencia y la amplitud del voltaje
inducido en una bobina de 150 vueltas sobre la armadura. La longitud axial de la
armadura es de 12 cm y su diámetro interior es de 10 cm.
7.3 El devanado de campo de una máquina síncrona de dos polos se excita con una
fuente de c.a., de tal suerte que la distribución de densidad de flujo es B(e, t) =
Bm cos Wl t cos e. La armadura tiene un diámetro de 2r y ,¡.lontitud l. Obtener una
expresión para el voltaje inducido en una bobina de N vueltas soble la armadura,
si el rotor (o campo) gira a w 2 rad/seg. Estudiar el caso especial en que Wl =w 2
=w.
7.4 Un motor síncrono de rotor redondo, conectado en Y, 30 kVA y 230 V, opera a
carga completa con un factor de potencia en adelanto de 0.707. Una carga inductiva trifásica, conectada en Y, con impedancia 4 + j3 Ohms por fase, se conecta
en paralelo con el motor. Calcular a) el factor de potencia global para el motor y
Problemas 345
la carga inductiva b) la potencia activa y reactiva para (i) el motor y (ii) la carga y
e) la corriente de línea para la combinación de motor y carga inductiva.
7.5 En el texto se obtuvo una expresión para las características de ángulo de potencia
de una máquina síncrona de rotor redondo, sin considerar la resistencia de armadura. Si el valor de ésta es 'a' establecer la expresión modificada para las características de ángulo de potencia de la máquina.
7.6 Trazar el diagrama fasorial de un generador síncrono de polos salientes que alimenta a una carga con un factor de potencia en adelanto. De este diagrama, obtener
una expresión para el ángulo Ó de potencia en función de las constantes X d y X q
de máquina, de la corriente de armadura la y del ángulo 1> del factor de potencia.
No considerar la resistencia de armadura.
7.7 Un generador síncrono de polos salientes, está conectado en Y y opera en 220 V
(línea a línea) y en un ángulo de potencia de 30°. Las constantes de máquina por
fase son Xd = 5 n, X q = 3 n con una 'a despreciable. Si el generador desarrolla
una potencia total de 16 kW, calcular la regulación de voltaje para las condiciones
de operación dadas.
7.8 Un generador síncrono de polos salientes trifásico, conectado en Y, 60 Hz, 220 V
Y 20 kV A, alimenta una carga nominal en un factor de potencia de 0.707 en adelanto. Las constantes porfase de la máquina son: resistencia dearmaudraRs =0.05
n; reactancia de eje directo XS d = 4.0 n; reactancia de eje en cuadratura }t,¡ =
2.0 n. Calcular la potencia desarrollada y el porcentaje de regulación de potencia
para la carga especificada.
7.9 Un motor síncrono está entregando un par de 0.5 Nw-m en 1800 rpm. El par de
carga se recÍuce bruscamente a cero y se observa que el ángulo de par oscila inicialmente dentro de un rango de 12° con un período de 0.3 seg. Después de 7.5 seg,
decrecieron las oscilaciones hasta 4.420 _ Calcular el par sincronizan te, J y b para
la condición de carga cero.
Capítulo 8
Control electrónico
de lTIotores
eléctricos
Este capítulo aborda básicamente, la teoría y aplicaciones de dispositivos y circuitos electrónicos en el control de motores eléctricos.
En los capítulos anteriores se describieron las características de dertos dispositivos electromecánicos, aunque ninguna de ellas puede realizarse
sin el uso de componentes adicionales y circuitos que pueden agruparse bajo el rubro de controles de máquina. Un equipo así puede ser tan simple
como un conmutador de encendido/apagado o tan complicado como el conjunto de semiconductores, componentes de circuitos y dispositivos mecánicos que controlan la alteración de la velocidad completa de un motor de
laminadora de 10,000 hp usado en la fabricación de acero. Los controles
se aplican a ambos puertos de las máquinas rotatorias, esto es, a las terminales eléctricas y a la flecha mecánica, a menudo con un enlace que
conecta ambos puertos, como un circuito de retroalimentación.
Existe una gran diversidad de componentes y sistemas que se emplean
para el control de máquinas rotatorias. En función de las aplicaciones prácticas y análisis teórico, ningún otro aspecto de las máquinas rotatorias ha
sufrido cambios tan radicales en los últimos años o presenta más posibilidades potenciales de desarrollo de características de máquina en lo futuro,
que el control electrónico de máquinas eléctricas.
Muchos dispositivos mecánicos y fluidos se utilizan en el control de
motores, como embragues y frenos, acoplamientos hidráulicos, sistemas
de control por fluidos, etc. Existen además muchos dispositivos electromecánicos que se usan en el control de motores: relevadores, contactares,
arrancadores, solenoides, amplificadores magnéticos, amplydines, etc. Estos dispositivos forman parte del tipo todavía más común de control que
se encuentra en muchas aplicaciones de motores domésticos y automotri347
348 Control electrónico de motores eléctricos
ces. Puesto que los sistemas de control mecánico, hidráulicos y electromecánicos están descritos perfectamente en las obras técnicas que abordan
el tema y se les ha usado desde casi el principio de las aplicaciones de los
motores, se descubrirán o discutirán cuando venga al caso, por desempeñar
una función integral en un sistema de control electrónico, diferente.
8.1 ASPECTOS GENERALES ACERCA DEL CONTROL DE
MOTORES
El objeto de un sistema de control de motor es regular uno o más de los
parámetros de salida del motor, como la velocidad de flecha, posición angular, aceleración, par de flecha y potencia mecánica de salida. El control
de temperatura en varios puntos del motor es también un objetivo frecuente de los sistemas de control de motor, ya que son los parámetros mecánicos del motor, los que van a controlarse por los parámetros eléctricos
de entrada; las características específicas del motor, esto es, las características que relaciona a las cantidades eléctricas de entrada con las cantidades
mecánicas de salida, son de vital importancia en el diseño y análisis de control electrónico. Por esta razón, se acostumbra discutir por separado el
control de motores de conmutador de C.C., del de los síncronos y de inducción. La naturaleza de la carga y el tipo de alimentación influyen también en la forma de control, la figura 8.1 ilustra la disposición básica del
control electrónico de motores. Esta figura muestra un sistema total de
motor, que incluye carga y fuente de potencia; los bucles de retroalimentación aparecen con líneas discontinuas, pues muchos esquemas de control
de motor son de bucle abierto. La caja de carga representa un concepto
muy general de carga y puede ser una inercial pura. La de potencia está
también generalizada y significa que abarca todas las fuentes de potencia
Señales
de entrada
Fuente de
energía
t
Sistema
lógico de
control
I
1--
Controlador
f----1
Motor
I
l
t
I
Modificación
retr~:I~~:~t~~ión
1_ - - _.-J
- --- -
Carga
I
t
I
__
.-1
FIGURA 8.1 Flujo general de señal en control electrónico de motores.
Aspectos acerca del control de motores 349
o excitación requerida por el motor. Esta figura carece de valor analítico y
no debe confundirse con el diagrama de bloques que describe el flujo de
señal como los de la teoría del control. Aquí, simplemente se ilustra el esquema topológico general de los principales elementos de una sistema general de control de motor. El tema básico de este capítulo se relacionará
con la caja rotulada "controlador".
Los materiales y aspectos estructurales de los semiconductores de potencia usados en el control de motores difieren mucho de los dft los dispositivos electromecánicos. Por consiguiente, las características ambientales
y de operación son asimismo distintas. Es fundamental reconocer estas diferencias en el diseño y uso del control electrónico de motores, en los que
se usan los dos tipos diferentes de componentes en un ámbito común y se sujetan a los mismos valores de corriente y voltaje; las diferencias principales
pueden resumirse en la siguiente forma:
1. Las características térmicas de los dispositivos semiconductores difie-
ren mucho de las de los dispositivos electromecánicos, como los motores.
Los motores tienen capacidades térmicas grandes y pueden soportar sobrecargas térmicas durante períodos de minutos. Los semiconductores
tiene constantes de tiempo térmicas muy cortas, que a menudo duran
menos de un segundo. También tienen trayectorias de conducción térmica naturales muy pobres y en muchas aplicaciones requieren disipadores
de calor.
2. Las características de sobrecarga de corriente en los dos tipos de dispositivos son en suma diferentes, en parte como consecuencia de las diferencias térmicas señaladas antes. Los dispositivos de semiconductor
tienen capacidad de sobrecorriente relativamente pequeña. Los thyristores tienen una capacidad ¡2 t, o de corriente de avalancha, que no es recurrente. Frecuentemente, las características del dispositivo se alteran
durante lapsos pequeños que suceden a una avalancha. Las avalanchas
sucesivas, aún dentro de la capacidad de avalancha, conducen a una degradación de las características del dispositivo. Por lo general, los motores soportan sobrecorrientes mientras no se excedan las capacidades
térmicas y pueden diseñarse para operaciones periódicas de corriente
de avalancha elevada, como durante la "obturación", que es un medio
de frenar rápidamente una máquina.
3. Muchos semiconductores están limitados por la razón de cambio de
corriente, como se explicará para los thyristores más adelante. En un
motor no hay una limitación equivalente.
4. Los thyristores están también limitados por una característica de razón
de cambio de voltaje, que no es un factor en la operación motor.
350 Control electrónico de motores eléctricos
5. Los circuitos con semiconductores son muy susceptibles a la interferencia electromagnética, tanto conductiva como inductiva, pero a los motores nunca se les afecta de manera semejante.
6. Los semiconductores son mucho más sensibles a choques y vibraciones
que los motores. No obstante, con montajes y embalajes adecuados, es
posible aplicar los semiconductores en la mayoría de los niveles de vibración.
7. Tradicionalmente, los motores se operan de manera que conduzcan a
formas de onda de corriente y voltaje continuas, como la corriente continua estacionaria o corriente alterna sinusoidal. Cuando se controla
mediante sistemas a semiconductores, las formas de onda menos regulares y frecuentemente discontinuas, con frentes de onda que se elevan
con brusquedad; formas de onda así, tienen diversas amplicaciones en
las pérdidas de motor y características de excitación y en ciertos casos,
indican modificaciones del diseño del motor.
8. Los motores electromagnéticos son dispositivos de inducción esenciales
y con su operación normal se asocian grandes cantidades de almacenamiento de energía inductiva. El manejo de energía inductiva durante la
acción rápida de conmutación de los dispositivos semiconductores, para evitar picos de voltaje y valores excesivos de que puedan dañar a los
dispositivos, es un problema fundamental del diseño en el control electrónico de motores.
Estas diferencias fundamentales entre los dispositivos semiconductores de
control y los motores eléctricos tienen importancia en casi todos los aspectos de diseño y operación de control electrónico de motores.
8.2 FORMAS DE ONDA DE VOLTAJE Y CORRIENTE
Una de las características principales de los sistemas de control de motores
que usan dispositivos semiconductores, es la naturaleza de las formas de
onda de corriente y voltaje, que por lo general son irregulares y las fórmulas comunes, con base en formas de onda sinusoidales o estacionarias en c. c.,
resultan inadecuadas. El método de la serie de Fourier se usa con frecuencia
en el análisis de dispositivos electromagnéticos que poseen no linealidades originadas por las características del material magnético. Las corrientes y voltajes no lineales o los flujos magnéticos no lineales de transformadores y máquinas de inducción, que, requieren en representación
en serie de Fourier, se discutieron en capítulos anteriores. Sin embargo,
cuando se excita un motor o transformador a través de un sistema elec-
Formas de onda de voltaje y corriente 351
trónico de control, las formas de onda aplicadas son no sinusoidales y
frecuentemente discontinuas. Debido a las características no lineales de
varios de los elementos del motor, resultan distorsiones o modificaciones
de la forma de onda aplicada.
Otra característica interesante del control electrónico es que las formas de onda pueden cambiar significativamente en función del nivel del
par o de la velocidad de motor. Como consecuencia, tanto las componentes de carga como de excitación de voltaje y corriente en sistemas de control
electrónico tienen formas de onda no sinusoidales. Esta característica tiene
muchas implicaciones para los que se ocupan del diseño, análisis u operación de sistemas de control electrónico de motores, de acuerdo con lo
siguiente.
1. La medición de voltajes y corrientes debe necesariamente efectuarse
con instrumentos capaces de indicar con exactitud el tipo de formas de
onda que se mide. Los instrumentos a termopar son adecuados para
medir componentes de potencia en la mayoría de los sistemas de control
electrónico de motores. Los osciloscopios son esenciales para el análisis
de forma de onda, tanto de los parámetros de señal de control, como de
potencia.
2. Las mediciones de pérdidas deben hacerse, si es posible, con el motor
excitado en la forma en que vaya a usarse y no con excitación sinusoidal común o de c.c. El dato de pérdida por material magnético como el
que se discutió en el capítulo 2, se tiene con excitación sinusoidal y es a
menudo incorrecto para otros tipos de excitación. La medición de pérdidas por núcleo es difícil cuando las formas de onda son como las señaladas antes. En estos casos, deben usarse wattmetros espaciales, como
un multiplicador electrónico o instrumentos de tipo térmico o de efecto Hall.
3. La teoría de circuitos estándar fundamentada en parámetros de onda
sinusoidal de una sola frecuencia, es inadecuada para el análisis de circuitos de control electrónico de motores. A menudo es necesario evaluar
la variación instantánea de corrientes y voltajes, tanto de potencia como
de control.
4. Los valores númericos estándar para las relaciones entre valores prome-dia, eficaz y máximo de corrientes y voltajes, rara vez son aplicables.
5. El intervalo de frecuencia de las componentes de voltaje y corriente en
un sistema eléctronico de control de motores es mucho mayor que la
frecuencia fundamental aplicada al motor. Esto se ve claramente, si se
consideran las componentes de Fourier de una función periódica no
352 Control electrónico de motores eléctricos
sinusoidal. La frecuencia fundamental proviene de la acción de conmutación de los semiconductores de potencia en el sistema de control y se
localiza, por lo general, en el intervalo de frecuencias bajas de audio o
de potencia, rara vez arriba de los 3000 Hz. Sin embargo, el intervalo
de frecuencias en varias corrientes y voltajes fácilmente puede ser de
100,000 Hz o mayor. Este factor debe tenerse en cuenta al seleccionar
el instrumental que se usará en el laboratorio, al estudiar la interferencia por ruido audible y electromagnético que proviene del sistema de
control; al diseñar filtros y al proteger los circuitos lógicos de control
que se usan para conmutar los dispositivos de potencia.
El cálculo .de los valores medio y eficaz de voltaje y corriente es sumamente importante en los sistemas de control electrónico para determinar
la potencia y el par de motor, el calentamiento de alambres y otros elementos y dimensionar componentes e instrumentación. Para realizar estos
cálculos, es necesario regresar a las definiciones de valores medio y eficaz
dadas en la sección 1.3. En la tabla 8.1 se catalogan varias de las formas de
onda comunes características de los sistemas de control electrónico y muestra sus valores medios y eficaces. En todas las formas de onda de esta tabla,
T o es la duración del pulso y T p es el período de la señal. Las fórmulas
para valores medios y eficaces se aplican también si T o = T p o sea, si no
hay "tiempo fuera" de la señal. La frecuencia fundamental de la señal, en
función del período es
1
(8.1 )
~=Tp
Ejemplo 8.1
Calcular los valores eficaz y tiempo promedio de la forma de onda expuesta en la tabla 8.1, renglón 4.
En primer lugar, es necesario obtener una ecuación para la variación
instantánea del parámentro durante un período. Para la onda en cuestión
se trata de la ecuación simple de la línea recta:
Am
a=A m - [
T
o
El valor eficaz (rcm) se obtiene extrayendo la raíz cuadrada del valor medio (promedio) del cuadrado de la función. Este valor medio, en un período
es
Formas de onda de voltaje y corriente 353
TABLA 8.1 Formas de onda en circuitos de control electrónico de motores
Promedio
VALOR EFICAZ
c--
2 To
-·-·A
'1T
__ 1
r;,
m
To
-·A
Tp m
Igual que el No. 3
Igual que el No. 3
7.
Nota; El símbolo An representa un valor máximo de una corriente o voltaje.
La raíz cuadrada de este término es el valor eficaz y es igual a
3 T;
mVV.
A=A'"
El tiempo promedio (no el promedio de media onda) se obtiene con la ecuación (1.9):
1
-r;,o
f.. Padl= -r;,J(o adl= -r;,1
TITo
I
O
TO( A
mI
A)
dI
m- -
~
354 Control electrónico de motores eléctricos
Obsérvese que para el pulso diente de sierra con pendiente positiva, se obtendrían las mismas expresiones para los valores rcm y tiempo promedio.
A las formas de onda del tipo expuesto en la tabla 8.1, se les denominará ondas "recortadas". En circuitos de control electrónico de motores,
parte del circuito se energiza durante un lapso pequeño y se desconecta
mediante un dispositivo de conmutación de estado sólido en un intervalo
reducido, repitiéndose en seguida este proceso. En muchos circuitos, el pulso presente es de forma regular o puede tomarse casi con tal. En casos así, se
dispone de expresiones generales para los valores eficaz y medio:
(8.2)
(8.3)
En estas expresiones, Kf y KA son factores que dependen sólo de la forma
del pulso. Por ejemplo, para un pulso seno Kf = 1/2, KA = 2/rr; en uno
triangular, Kf = 1/3, KA = 1/2 yen uno cuadrado, Kf = KA = 1.
Ejemplo 8.2
Encontrar los valores tiempo promedio, media onda promedio y eficaz de
la forma de onda del renglón 1 en la tabla 8.1, si cada pulso alterno es negativo.
De la ecuación (8.2), el valor eficaz es
El promedio onda media, partiendo de la ecuación (1.8) es
A
HWA
lTPsenwt=
; iT~en2'7T(
2~'o )t
o
o
=.1.. To [_cos~t]TO = eto .1
= ;
p
p
To o. ~
El tiempo promedio para un período es cero:
Tp
'7T
Aav=O
'7T
Dispositivos semiconductores de potencia 355
La diferencia entre el promedio y el promedio media onda se destaca en
estos ejemplos, ya que ambos tiene importancia en el análisis de ondas
recortadas y no sinusoidales. En las ondas con pulsos de una sola polaridad,
como se ve en la tabla 8.1, el promedio de media onda carece de significado
real. El factor KA en la ecuación (8.3) es realmente el promedio de media
onda del pulso mismo.
8.2.1 Restauración de componentes inductivas y condensadores
Las ondas unidireccionales del tipo expuesto en la tabla 8.1 se encuentran
en muchas partes de los circuitos de control de motores, así como en reguladores de conmutación y sistemas similares. Formas de onda de este tipo
a menudo pueden conducir a una operación indeseada de inductores, transformadores y capacitores, pues la polaridad de estos dispositivos no se
invierte en forma natural con una onda alterna. Los dispositivos con inductancia en núcleos ferromagnéticos operan dentro de un ciclo de histéresis
menor. Para los núcleos de ciclo cuadrado, que comúnmente se usan en
circuitos de conmutación, esto significa que la señal hace que el núcleo
atraviese la parte plana de su ciclo de histéresis y que el dispositivo sea
"básicamente", no inductivo. De manera semejante, un condensador estará
totalmente cargado después de algunos pulsos, distorsionando en forma considerable, los voltajes de circuito para la operación normal.
La operación normal de componentes inductivas bajo ondas unidireccionales requiere de un devanado auxiliar acoplado al núcleo. La función
de este devanado es "restaurar" el núcleo a su estado magnético opuesto, durante el tiempo-fuera (T o a T p en la tabla 8.1) de la señal principal. A menudo se requiere que los voltajes del condesandor se inviertan mediante
circuitos auxiliares resonantes. En algunos problemas al final de este capítulo se analiza la aplicación de estos circuitos tan útiles.
8.3 DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
En la actualidad, se dispone de diversos tipos de semiconductores para aplicaciones de control electrónico de motores. El tipo a usarse en una aplicación
específica, dependerá de diversos factores, principalmente de los requerimientos de potencia, voltaje y corriente del motor que va a controlarse.
Otros factores incluyen aspectos ambientales, en especial la temperatura
ambiente de este recinto semiconductor; los modos de controlo filisofía de
control que va a emplearse y cuestiones del costo del sistema global. En
esta sección se resumirán las características principales de los más importantes semiconductores de potencia utilizados en el control de motores.
A los semiconductores de potencia y sus circuitos asociados se les conoce comúnmente como el circuito de potencia del sistema de control del
356 Control electrónico de motores eléctricos
motor. La caja rotulada como "controlador" en la figura 8.1 contiene
al circuito de potencia del sistema de control del motor. Existe otro grupo
de circuitos y componentes requeridos en un sistema de control de motor
completo, que opere en niveles muy bajos de voltaje y corriente, comparados con el circuito de potencia. A este grupo se le llama con frecuencia
"circuitos lógicos de control" o "circuitos de control de compuerta" o se le
da alguna designación semejante. Su función es poner en práctica la filosofía de control para hacer que el motor opere de una manera prescrita. Este
grupo incluye circuitos para apagar y encender los semiconductores de potencia.
La tabla 8.2 enlista los dispositivos principales usados en sistemas de
control de motores, también incluye los símbolos estándar para estos dispositivos en los diagramas de conexiones y las capacidades de cada tipo de
dispositivo, en voitaje y corriente máximos yen tiempo de respuesta, según
el actual "estado del arte". Estas capacidades rara vez se tienen en un solo
dispositivo, usualmente, sólo una de estas máximas capacidades se alcanza
en un dispositivo. Esta circunstancia y las diversas patentes disponibles en el
diseño de dispositivos semiconductores para usos específicos se discutirán a
continuación. El tiempo o parámetro de velocidad de la tabla 8.2 se refiere al tiempo mínimo de apagado accesible en cada clase de dispositivo, en
la columna con los símbolos del dispositivo, "A" significa ánodo; "K", cátado; "G", compuerta; "E", emisor; "e", colector y "B", base. El diodo
Zener no es verdaderamente un dispositivo de control de potencia, como los
otros enlistados, aunque se incluye po.r su gran uso como dispositivo de
control y detección de voltaje en much,)s controladores de motor.
Los dispositivos de la tabla 8.2 pLeden catalogarse de acuerdo a su estructura: dispositivos de dos capas, de los cuales el rectificador de silicio es
el más conocido; el de tres capas, tipificado por el transistor de potencia y
de cuatro capas o thyristor, "cuya acción biestable depende de la retroalimentación regenerativa p-n-p-n-"l. El término thyristor se emplea para
describir cualquier dispositivo de cuatro capas, incluyendo al conmutador
controlado de silicio (SCS: silicon controlled switch), el Triac, el diodo
Schockley, los dispositivos de apagado de compuerta (GTO: gate turnoff)
y el rectificador controlado de silicio (SCR: silicon controlled rectifier).
Este último fue el que más se usó en el control electrónico de motores, sobre todo porque hasta hace poco era el único dispositivo que podía construirse para manejar los niveles elevados de voltaje y corriente requeridos
en el control de motores. No obstante, en la actualidad se construyen
transistores de potencia y dispositivos Darligton con niveles de voltaje y
corriente capaces de manejar muchas aplicaciones de control de motores, como se puede ver en la tabla 8.2. Se espera que las capacidades de estos dispositivos aumenten más en el futuro.
Dispositivos semiconductores de potencia 357
8.3.1 Rectificador de silicio
Los rectificadores de silicio se cuentan entre los primeros dispositivos semiconductores de potencia que se desarrollaron y junto con los de germanio, han desplazado casi por completo a los rectificadores de potencia de
tubos al vacío y gaseosos. La figura 8.2 muestra dos configuraciones de rectificador de silicio de uso común; uno es el rectificador montado en tornillo, llamado así por el tornillo enroscado en la base del dispositivo (la que
eléctricamente es el cátodo) montado sobre una placa o disipador de calor.
El otro dispositivo de esa figura se conoce indistintamente como una configuración de "paquete de prensa" o de "disco". Los dos contactos eléctricos se localizan arriba y en la base del disco, que debe montarse a presión
entre las dos superficies conductoras planas para lograr un buen contacTabla 8.2 Semiconductores de potencia
Dispositivo
Rectificador de silicio
SCR
Rectificador controlado
de silicio
TRIAC Interruptor bidireccional
GTO
GCS
Dispositivos de apagado
de compuerta
Transistor de potencia
Dispositivos Darlington
Diodo Zener
Símbolo
$
Capacidades máximas
Amps. VeloVolts (rcm) cidad
5000
7500
( JLs)
5000
3000
1
1000
2000
I
~
400
1000
200
0.2
2
~
3000
500
0.2
1000
200
I
4)
~
(PNP)
B
~
$,
500
100
358 Control electrónico de motores eléctricos
Rectificador controlado montado en tornillo
e) Rectificador de silicio montado en tornillo
FIGURA 8.2 Rectificadores de silicio y rectificadores controlados de silicio
(SCRs), mostrando a) dispositivos de disco (disco de goma); b) rectificador
controlado montado en tomillo; c) rectificador de silicio montado en tornillo
(Cortesía de International Rectifier Corporation).
Dispositivos semiconductores de potencia 359
i
----;-
it
+
PRV
I
I
----;-
v
(a)
(b)
FIGURA 8.3 Características del rectificador de silicio. a) Símbolos. b) Características v-i.
to eléctrico. La ventaja principal de la configuración de disco es tener una
trayectoria mejorada para la transferencia de calor, con impedancia térmica baja entre ambas terminales eléctricas. En el diseño de montado en tornillo, la impedancia térmica baja se tiene sólo a través de una terminal.
Los parámetros principales de un rectificador de silicio son el voltaje pico inverso reiterativo (PR V: peak reverse voltage) o voltaje de bloqueo,
la corriente media progresiva y la temperatura de operación de la unión,
0
que es de 125 e para la mayor parte de los dispositivos de silicio. En la
figura 8.3 se muestra la característica J1 - i En el modo de conducción
progresivo el rectificador de silicio no es un conductor perfecto, aunque
tiene una caída de voltaje progresiva de un volt más o menos, en todos los
niveles de corriente dentro de su capacidad. Existen también corrientes de
avalancha y niveles de sobrevoltaje asociadas con el rectificador, que pueden tener importancia en determinada aplicación.
Otra característica importante en ciertas aplicaciones es el tiempo de
recuperación del rectificador, que es el lapso que transcurre desde el término
de la conducción progresiva hasta que el rectificador recobra su capacidad
inversa de bloqueo total. Esta característica se conoce como operación de
"recuperación inversa" de un diodo y está relacionada con el tiempo requerido para "arrastar" a los portadores de carga minoritarios, almacenados
en el diodo inmediatamente después del término de la conducción. Este
lapso es de microsegundo y requiere un flujo de corriente en la dirección
del bloqueo, esto es, opuesta al flujo normal de corriente del diodo. Este
fenómeno puede ser la fuente de ruido electromagnético o repiqueteo en
un sistema de control de motores y debe tomarse en cuenta en su diseño.
360 Control electrónico de motores eléctricos
o~-~t(/1S)
Convencional
FIGURA 8.4 Comparación de rectificadores de silicio convencionales y de
"recuperación rápida" en la región de recuperación inversa.
Las características de recuperación determinan la razón a la que se puede
reaplicar el voltaje de bloqueo al rectificador y por consiguiente, la frecuencia de operación del rectificador. Muchos usos de rectificadores en control
de motores necesitan tiempos de recuperación muy cortos y con este propósito se han desarrollado dispositivos de rápida recuperación, en los que
ese tiempo puede ser de sólo varios centeneres de nanosegundos. En la figura 8.4 se muestra una comparación de las características de recuperación
de rectificadores de silicio convencionales y de rápida recuperación.
El diodo de "rueda libre", es una función común ejecutada por los
rectificadores de silicio en sistemas de control de motores. Esta función
otorga una trayectoria para la continuación de la corriente de motor que
sucede a la conmutación de apagado de otro dispositivo de potencia, entre las terminales de motor y la fuente de energía. El diodo de rueda libre
se presentará en muchos de los sistemas de control que se analizarán más
adelante en este capítulo.
8.3.2 Rectificador controlado de silicio
A este dispositivo se le llama con frecuencia thyristor, aunque aquí se prefiere usar esta denominación como el nombre general de los dispositivos
de cuatro capas. El rectificador controlado de silicio o SCR tiene tres terminales: ánodo, cátodo y compuerta. En la dirección inversa o de bloqueo,
las funciones del SCR se parecen bastante a las del rectificador de silicio
descrito en la sección anterior. En la dirección progresiva, la conducción
puede controlarse en forma limitada por la acción de la compuerta, conectada a los circuitos de señal débil que pueden aislarse eléctricamente de los
de potencia, conectados al cátodo y ánodo. El control es limitado, pues la
compuerta puede encender el dispositivo, esto es, iniciar las condiciones
Dispositivos semiconductores de potencia 361
para flujo de corriente progresiva, pero no puede detener el flujo de corriente. El control por compuerta es sólo momentáneo, durante el cual se inyectan los portadores al material inferior de base para dar lugar al corte
de voltajes de uniónp-n; este proceso se le llama corte por avalancha. Cuando
principia el flujo de corriente a través del ánodo, el SCR conduce y permanece así hasta que por medios externos se le "apaga". El proceso de apagado del SCR se conoce como conmutación y se discutirá en detalle en la
sección 8.4. La figura 8.2 muestra las dos configuraciones principales de
SeR, la montada en tornillo y la de disco. Salvo por el conductor de compuerta, ambas configuraciones se asemejan a la del rectificador de silicio. La
figura 8.5 ilustra un "paquete" típico de SeR de disco, incluyendo al disipador de calor y fusibles.
La figura. 8.6 es una copia de la lámina comercial de datos de SeR de
potencia. Los parámetros principales (y magnitudes para este dispositivo particular, el No. CA19PN) para utilizar los SCRs en sistemas de control de
motores son:
1. Voltaje de pico inverso reiterativo (PVR), 1800 V.
2. Valor máximo de corriente media en estado de excitación, 2/11 X 850
= 540 A. Este parámetro se relaciona con el calentamiento dentro del
semiconductor.
3. Valor máximo de la corriente eficaz en estado de excitación 850 Amps.
Esta es la capacidad de corriente de las partes conductoras de metal del
dispositivo, como la cola de cerdo de ánodo en dispositivos de clavija.
4. Corriente pico en un ciclo en estado de excitación, es decir, el límite'
de corriente de avalancha 6500 A.
5. Razón crítica de elevación de voltaje de bloqueo progresivo, 200V / p. seg.
Por lo general hay dos especificaciones: la inicial, cuando se enciende el
dispositivo por vez primera y la reaplicada, que es la que sigue a la conmutación.
6. Tiempo de apagado: el tiempo de apagado requerido que sucede a la
conmutación antes de que pueda reaplicarse el voltaje progresivo 40 p.
seg. (Ver sección 8.4).
7. Valor máximo de elevación de corriente anódica durante el encendido;
una di/dt demasiado elevado puede conducir al calentamiento del punto caliente, que es una de las principales causas de falla del dispositivo:
300 A/p. seg.
8. Temperatura máxima operante de unión: 1250 C.
362 Control electrónico de motores eléctricos
FIGURA 8.5 Thyristor de tipo disco mostrando disipador de calor y fusibles
(Cortesía de Westinghouse Electric Corporation).
Dispositivos semiconductores de potencia 363
Tasas máximas permisibles
Tipos
C449PN
C449PS
C449PM
C449PE
Voltaje repetitivo en
apagado vDRMa
Tj =40 a + 125°C
Voltaje pico inverso
repetitivo VRRMa
Tj = 0.40 a + 125°C
1800 volts
1700
1600
1500
1800 volts
1700
1600
1500
Voltaje pico inverso
no repetitivo VRSMa
Tj = + 125°C
2040 volts
1920
1790
1700
aForma de onda seno medio, con anchura de pulso máx. de 10 mseg. Consultar a la fábrica acerca
de disPositivos de voltaje en tasas menores.
Corriente pico en encendido (no repetitiva) de
6500 amperes
impulso en un ciclo 1TSM
Razón de elevación crítica de corriente en encendido (no repetitiva) t
500 A//ls
300 A//ls
Razón de elevación crítica de corriente en encendido (repetitiva)t
5 watts
Disipación de potencia promedio en compuerta P G (av)
-40 a + 150°C
Temperatura de almacenamiento T stg
-40 a + 125°C
Temperatura de operación Tj
3000 lb + 500 lb - O lb
Fuerza de montaje requerida
13.3 KN + 2.2 KN - O KN
FIGURA 8.6 Lámina de datos del SCR (Cortesía de General Electric Company).
Existen parámetros adicionales de importancia en el uso de los SCRs,
como lo prueba la lámina de datos de la figura 8.6. El manejo térmico del
SCR es extremadamente crítico en todas sus aplicaciones. La mayor parte
de los parámetros que acaban de mencionarse varía de manera significativa
en función de la temperatura del dispositivo, que también caracteriza a
otros tipos de semiconductores. Es por ello que gran parte del trabajo de
ingeniería que se requiere en la aplicación de un SCR radica en el diseño
de su radiador de calor, en el método de montado y en el enfriamiento
auxiliar (si se requiere). El uso del SeR en conexiones eléctricas serie o
paralelo ayuda a encontrar los requerimientos térmicos.
Existen muchas clases de SCRs; para el uso en controlador de motores
hay dos amplias clasificaciones, llamadas a veces tipo inversor y tipo supresor. El primero se aplica a inversores, cicloconversores y sistemas de motores en C.C., sin escobillas, mientras que el segundo se usa en recortadores, rectificadores controlados en fase, reguladores, etc. La diferencia básica entre
los dos tipos es,. básicamente su tiempo de respuesta, relacionada con los
parámetros quinto, sexto y séptimo enlistados con anterioridad. Por lo
general los tipos inversos son más costosos que los recortadores. Hay otras
maneras de clasificar los SCRs, especialmente en las capacidades más pe-
W·
~
~
::::
~
Características
Prueba
Corriente pico repetitiva
y en encendido.
Símbolo
Mín.
IRRM
y
-
Tipos
10
Máx.
Unidades
25
mA
~
Condiciones de prueba
T¡=+25 0 C,
~
~
o.
V=VORM=VRRM
::::
¡:;.
O
IORM
~
-
60
mA
T¡=+125 0 C, V=VORM=VRRM
Corriente pico inversa
repetitiva y de bloqueo
en apagado.
IRRM
y
Resistencia ténnica
ROJe
-
-
.04
OC/watt
Unión a cubierta. Enfriado en ambos lados.
Tasa de elevación lineal
crítica de voltaje en
apagado (Valores más
altos pueden originar
conmutación del
dispositivo).
dv/dt
200
-
-
V/¡.¡séc
T¡ =+ 125°C, VORM =0.80 de tasa, compuerta abierta. Fonna de onda exponencial o
elevación lineal. Exponencial
Corriente de disparo
de compuerta
IGT
45
~
O
~
IORM
-
~
!l>
~
~
di / dI = 0.8 VDRM (0.632) /
Selecciones de dv/d t mínimas más altas disponibles (consultar al fabricante).
Voltaje de disparo de
compuerta
T
VGT
-
-
200
J
-
150
-
-
3
-
-
5, ... ,3
mA dc
Te=+25 0 C, VD=6 Vdc,RL=3 ohms
Te =+ 125°C, VD =6 V dc, RL =3 ohms
Vdc
Te =25 a + 125OC, VD =6 V dc
RL =3 ohms
Te =-40 a 25°C, VD =6 V dc,
RL = 3 ohm s
~
~r
""
Voltaje pico en encendio
VTM
Circuito convencional
Tiempo de apagado
conmutado (con diodo
de retroalimentación)
C449---60
C449---60
tq
-
-
-
-
-
2.8
=
=
volts
Te 25 0 C, IT 2000 Pico
Ciclo de rendimiento ~0.01 %
¡.Lsec
(1) Te
1250 C
(2) ITM 500 A
(3) V R ~50 volts
=+
=
(4) 80% reaplicado
(5) Razón de elevación de voltaie en apagado
60
40
200 V/¡.Ls
=
=
(6) Polarización de compuerta abierta durante
intervalo de apagado O Volts, 100 Ohms
(7) Ciclo de rendimiento ~.01 %
Circuito convencional
Tiempo de apagado
conmutado (con diodo
de retroalimentación)
C449---60
C449-40
tq
¡.Lsec
-
-
60
40
b
b
'I:l
0
(4) 80% de VDRM reaplicado
(5) Razón de elevación de voltaje en apagado
200 V¡¡.Ls
=
=
(6) Polarización de compuerta abierta durante
el intervalo de apagado.
(7) Ciclo de rendimiento .¡;; 0.01 %
-
b Consultar al fabricante para tiempo máximo de apagado.
tl
0;'
=+ 125 C
(2) ITM = 500 A
(3) V R = 2 volts, mínimo
(1) Te
::;
5:
"o::
::;
~
;::;.
O
::l
~
es~
~
'"~
'I:l
O
~
~
¡:;.
W
0\
er.
366 Contrd electrónico de motores eléctricos
queñas utilizadas en aplicaciones de control y comunicaciones; muchos
SCRs en la capacidad de 35-A (rcm) y más pequeños pueden empacarse en
estuches de plástico, lo que entraña un costo de dispositivo menor que el
métalico de capacidad similar. Otra clasificación se relaciona con la señal de
compuerta; una clase muy útil de SCR para detectar posición en sistemas
de control de motores esla activada con luz, o LASCR (light activated SCR),
en vez de inyectar energía mediante corriente eléctrica, se dispara el LASCR
con energía fotónica. Se dispone de activación por luz para todos los otros
dispositivos de tres y cuatro terminales enlistados en la tabla 8.2, como
también para el SCR.
La caída de voltaje progresivo para un SCR varía considerablemente
durante la conducción de corriente de ánodo y puede ser muy alta durante los primeros microsegundos que siguen al encendido. Esta caída de voltaje
elevada conduce a una pérdida de energía, conocida como pérdida por conmutación de un SCR. La caída promedio de voltaje progresivo de un SCR
es de 1.5 a 2 V.
8.3.3 TRIAC
El TRIAC, llamado con frecuencia conmutador bidireccional, equivale
aproximadamente a un par de SCRs ensamblados o en antiparalelo, fabricado con un recorte único de material semiconductor. La conducción por
disparo puede ocurrir en ambas direcciones, es decir, el TRIAC es un dispositivo cuasibilateral, sus aplicaciones incluyen control de intensidad de
luz, control de calor y control de velocidad de motores en c.a. Por lo general, los mismos parámetros señalados como importantes para el uso de SCRs
en la sección anterior se aplican al TRIAC. Sin embargo, debe observarse
que el TRIAC es un dispositivo de tres terminales con una sola compuerta, que influye en su tiempo de respuesta, a diferencia de dos SCR distintos,
conectados en posición antiparalelo. El tiempo de apagado de un TRIAC
es la misma magnitud que el de un SCR. Esto implica que se debe observar
un lapso casi igual al tiempo de apagado, antes de aplicar un voltaje inverso al TRIAC. Sin embargo, en un par antiparalelo puede aplicarse un voltaje inverso inmediatamente después de cesar la corriente progresiva en un
SCR. No se dispone de TRIACs en niveles de voltaje y corriente tan altos
como los de los SCRs actuales y por lo tanto, se utilizan en el control de
motores de capacidades de potencia relativamente bajas.
8.3.4 SCR de apagado por compuerta o conmutador controlado
por compuerta
Estos dos nombres se aplican a un dispositivo semiconductor de tres terminales y cuatro capas del grupo del thyristor con características muy semejantes
Dispositivos semiconductores de potencia 367
a las de SCR. Además, el GTO (Gate turn-off: apagado por compuerta) o
el GCS (Gate controlled switch: comutador controlado por compuerta)
puede apagarse mediante una señal adecuada de compuerta. Las propiedades de esta característica se comprenderán mejor después de consultar la
sección 8.4 de este capítulo acerca de la conmutación por SCR. En la actualidad esta clase de thyristor está disponible en niveles de corriente y voltaje muchos más bajas que las del SCR.
En las primeras versiones de este dispositivo, la corriente de compuerta requerida para apagarlo era casi igual a la corriente de ánodo que se trataba de cancelar. Esta igualdad implicaba que el circuito de compuerta tendría
que haber tenido una capacidad portadora de corriente equivalente a la del
circuito del ánodo. Empero, hace poco, la corriente de compuerta requerida para el apagado del dispositivo se redujo mucho. La razón de corriente de
compuerta para apagado de ánodo a la corriente del ánodo que se intenta
apagar, se denomina ganancia de apagado: AlTO y es similar a las ganancias
equivalentes de apagado, usadas en la terminología de transistores de potencia. Las ganancias actuales de apagado de los dispositivos GTO y GCS
varían de 2 a 1000, esta ultima se obtiene en dispositivos de capacidades
de corriente de ánodo bajas (5 A o menores). El pulso de compuerta de
apagado es de polaridad opuesta al del pulso de compuerta de encendido.
En el intervalo de corrientes requeridas en múltiples aplicaciones de control
de motores, a saber, 50 a 200 A, el tiempo de apagado del GCS es mucho
menor que el de un SCR equivalente. Por consiguiente, estos dispositivos
se usan en inversores, recortado res y cicloconversores que requieran frecuencias altas de conmutación de dispositivos. Frecuentemente, el uso de
GCSs en lugar de los SCRs se traduce en un controlador de peso más bajo,
en virtud de la eliminación de los circuitos de conmutación SCR.
8.3.5 El transistor de potencia
Cuando los transistores de potencia se utilizan en circuitos de control de
motores, se operan como elementos de conmutación; se les lleva a la saturación y no se usan las características de ganancia lineal. La configuración
emisor común es la más generalizada, por la alta ganancia de potencia de esta
conexión; el voltaje de saturación emisor colector VCE(SA T) para transistores de potencia típicos, va de 0.2 a 0.8 V. Este intervalo significativamente
menor que la caída de voltaje ánodo-cátado en encendido de un SCR. Por
lo tanto, la pérdida de potencia promedio en un transistor de potencia, es
menor que la de un SeR de potencia equivalente. Los tiempos de conmutación de los transistores de potencia son por lo general menores que los
de los SCRs, y los problemas relacionadas con apagado o conmutación en
SCR casi no existen con los transistores. No obstante, un transistor de potencia es más costoso que un SCR de capacidad de potencia equivalente.
Además, los niveles de voltaje y corriente disponibles en transistores de
368 Control electrónico de motores eléctricos
potencia son mucho más bajas que las de los SCRs existentes. Ya se estableció que las capacidades máximas enlistadas en la tabla 8.2 no concurren,
en general, en un solo dispositivo; aspecto más común en un transistor de
potencia. Dispositivos con niveles de voltaje de 100 Vo mayores, tienen
capacidades de corriente limitadas de 10 A o menores. De la misma manera, los dispositivos con capacidades de corriente más elevadas, como 50 A
y más, tienen niveles de voltaje de 200 Vo menores. Relativamente se tiene poca experiencia en circuitos prácticos de control de motores con transistores cuyas capacidades de voltaje o corriente se aproximan a los límites
superiores enlistados en la tabla 8.2. Es práctica usual conectar en paralelo
transistores de capacidad de corriente más baja para el control de motores
que requieren capacidades de corriente altas y 200 V o menos. Se requiere
sumo cuidado para cerciorarse que se compartan equitativamente las corrientes de colector y que se tenga la adecuada sincronización de corrientes de base entre los dispositivos en paralelo.
En la figura 8.7 se muestran especificaciones típicas de un grupo de
transistores de conmutación en potencias relativamente bajas. Las especificaciones de importancia para la aplicación en control de motores (algunas
de la cuales no se dan en la figura 8.7) incluyen:
1. Voltaje de corte, dado por los símbolos BVCED , voltaje de corte colector a emisor con la base abierta y BVCBO , voltaje de corte colector a
base, con el emisor abierto.
2. Voltaje de saturación de colector, V CE (SAT)'
3. Nivel de 70ltaje emisor-base V EBO
•
4. Corriente de colector máxima le, promedio y pico.
5. Razón de transferencia de corriente progresiva H FE , que es la razón de
corriente de colector a la base en la región lineal.
6. Disipación de potencia.
0
7. Temperatura de unión mínimo, 150 a 180 C, típicamente.
8. Tiempos de conmutación: tiempos de elevación t r , de almacenamiento
t s Y de caída tf. Algunas veces se relacionan estos tiempos con la frecuencia máxima de conmutación, como en la figura 8.7
Las impedancias térmicas y los coeficientes de temperatura tanlbién son
parámetros de importancia. En transistores de potencia conectados en paralelo, llega a ser muy significante la variación de las características de
Transistores de aleación para 6 a 30 A.
A500
Estilo
A670
AS 10
6 Amperes 6 Amperes 7.5 Amperes 7.5 Amperes 20 Amperes 20 Amperes
Tasa
Tipo No.
V ceo (sus) 40
50
60
70
SO
90
100
120
140
160
ISO
200
220
h FE mín
Y,,(sal) rháx
f T típico
151
152
153
154
163
164
151-04
151-05
151-06
151-07
151-0S
151-09
151-10
151-12
151-14
151-16
151-IS
151-20
151-22
152-04
152-05
152-06
152-07
152-0S
152-09
152-10
152-12
152-14
152-16
152-IS
152-20
152-22
153-04
153-05
153-06
153-07
153-OS
153-09
153-10
153-12
153-14
153-16
153-lS
153-20
153-22
154-04
154-05
154-06
154-07
153-OS
154-09
154-10
154-12
154-14
154-16
154-18
154-20
154-22
163-04
163-05
163-06
163-07
163-0S
163-09
163-10
163-12
163-14
163-16
163-IS
163-20
163-22
164-04
164-05
164-06
164-07
I64-0S
164-09
164-10
164-12
164-14
164-16
164-18
164-20
164-22
11 + 1.5 A
18-+-1.5 A
1.3 Y
0.5 MHz
1.25 Y
15 + 1.5 A
1.3 Y
25 + 1.5 A
1.25 Y
15 + 5 A
I.lY
25 + 5 A
1.0 Y
0.5 MHz
0.5 MHz
0.5 MHz
0.5 MHz
0.5 MHz
Y E8 =25 Y, 18=3 A
TJ&TSO= -65 lo + 150°C
PT = 100 W + 80°C
RO Jc =0.7°C/W
Tasas
máximas
Y E8 =25 Y, 18=3 A
TJ&TSO = -65 lO + 175°C
PT =200W + 25°C
RO Jc =0.75°C/W
A67H
Estilo
Tasa
Tipo No.
Y"o(sus) 50
100
150
200
250
h FE mín
Y,,(sal) máx
f T típico
Y E8 =25 Y, 18 -7.5 A
TJ&TSG= -6510 + 175°C
PT = 200 W + 75°C
RO JC -O.5°C/W
30 Amperes
110
110
110
110
2N2757
2N275S
2N2759
2N2760
2N2761
2N2763
2N2764
2N2765
2N2766
2N2769
2N2770
2N277 1
2N2772
2N2775
2N2776
2N2777
2N2778
...
...
...
10 + 10 A
10 + ISA
10 + 20 A
10 + 25 A
1.5 Y
1.5 Y
1.5 Y
1.5 Y
0.5 MHz
0.5 MHz
0.5 MHz
0.5 MHz
Y F8 =25 Y, 18 =7.5 A
TJ&TSO= -65 lo + 175°C
PT =200W + 75°C
RU JC =O.5°C/W
Tasas máximas
28~==3~~
2
...
B
o"
Q)
"
"
-o
....Q)
c:
°E"
o
ü
200
Voltaje colector-emisor (V)
FIGURA 8.7 Aplicaciones de transistor de conmutación en baja potencia
(Cortesía de Westinghouse Electric Corp).
370 Control electrónico de motores eléctricos
dispositivo con la temperatura. La característica lc- V BE es en extremo
sensible a la temperatura.
La conmutación de un transistor de potencia se controla mediante el
circuito de base. Es necesaria una corriente de base continua para conservar al transistor en una condición saturada o de "encendido" y la disipación
de potencia asociada con el circuito de base puede ser una parte importante de la pérdida total del dispositivo. Este factor debe incluirse al determinar
eficiencias de potencia de controladores de motor. El tiempo de elevación
puede reducirse al encender un transistor sobreimpulsando la corriente de
base, cuando el colector alcanza su valor máximo y el dispositivo está en
saturación, la corriente de base se reduce hasta su valor mínimo requerido
para mantener al dispositivo en saturación. Para iniciar el apagado, la carga
de saturación en exceso, que es proporcional a la corriente de base en exceso, debe removerse de la región de base del transitor, antes de que éste
pueda empezar a conmutar otra vez al estado de apagado. Esto conduce al
tiempo de demora de almacenamiento ts ' que puede reducirse al minimo
aplicando una corriente inversa a la base durante al apagado. El tiempo de
caída tf se reduce también sobreimpulsando la base con corriente inversa
durante el apagado. Con polarización inversa del circuito de base, que se
presenta en el apagado, no debe excederse la especificación de YEBO de
voltaje de base, pues de lo contrario pueden presentarse fallas en el dispositivo. Los apagados lentos se obtienen reduciendo la corriente de base
a cero sin corriente de base inversa.
Si se sobreimpulsa la base para reducir los tiempos de conmutación,
puede haber una falla en el transistor por un mecanismo conocido como
"corte secundario". Este es un proceso de fuga térmico inducido por concentración de corriente en la unión de emisor. Esta concentración favorece
la formación de "mancha caliente" que a ~enudo causa una acumulación
de calor que da lugar a una falla catastrófica del dispositivo. Los límites
operantes de seguridad de corriente de colector y de voltaje colector -emisor, de definen delimitando una región en una gráfica de le contra V CE '
conocida como "área de seguridad operante" o SOA (safe operating area).
La operación fuera de esta área puede iniciar el proceso de corte secundario. Los circuitos de motor contienen muchas inductancias y durante el
apagado del transistor la energía almacenada en las componentes inductivas en serie con el colector, aumentarán el voltaje colector -emisor en función de la razón de descenso de la corriente de colector. Por consiguiente,
un apagado rápido, atribuible a una alta de corriente reversa de base dará
lugar a valores elevados de V CE. Estos voltajes elevados incrementarán la pérdida conocida como pérdida por conmutación y contribuirán al calentamiento del transistor que puede conducir al corte secundario. En la figura
8.7 se muestra un ejemplo de región SOA.
Dispositivos semiconductores de potencia 371
8.3.6 El Darlington de potencia
Este título se refiere generalmente al par de transistores conectados según
Darlington, fabricado con un solo recorte. Desde luego que se obtienen las
mismas características con el uso de dos transistores discretos, aunque por
lo común en un empaque más grande, complicado y costoso. El principal
mérito del dispositivo Darlington es su gran ganancia en corriente. Los parámetros de operación y modos de falla para los transistores discutidos en
la sección anterior, se aplican también al Darlington.
Los amplificadores Darlington son de reciente ingreso al área de control de motores, aunque han encontrado bastante aceptación por su capacidad para reducir el tamaño, costo y peso de los controladores de motor.
Estos dispositivos se usan en supresores para control de motores de conmutador en C.C., y en inversores para control de motores en c.a., por lo
general en aplicaciones de baja potencia. Recientemente, se desarrollaron
dispositivos mayores con capacidades hasta de 200 A y 100 V ó 100 A Y
450 V, que se utilizan en el control de motores de tracción, en grúas de
camión y en vehículos eléctricos industriales. Se han logrado ganancias
de corriente hasta de 1600 en estos niveles de corriente altos. No obstante,
con una ganancia de corriente alta, existe un voltaje de saturación o estado
apagado más alto, V CD (SAT)' En la referencia bibliográfica 9 se da un ejemplo de análisis de inversor Darlington usado en control de motores.
8.3.7 Diodos zener y de avalancha
Hay un grupo de dispositivos de dos terminales con propiedades sumamente útiles en conmutación para el control de motores y en muchas otras
aplicaciones de circuitos electrónicos. Por lo común, estas propiedades no
se usan para el control de potencia o corriente, sino más bien para proteger a otros dispositivos semiconductores del sobrevoltaje, con objeto de
suministrar un voltaje de referencia y para regulación de voltaje. Los dispositivos están constituidos por recortes de silicio de dos o cuatro capas, con
parecido a otros diodos de silicio y teóricamente, pueden usarse en rectificación; el miembro más conocido de esta familia es el diodo Zener. 1 o
Las posibilidades del diodo Zener para dar voltajes de referencia y
protección de voltaje, se basan en las características de corte de la uniónpn.
Cuando el voltaje de polarización inversa, aplicado al diodo, excede cierto
valor, conocido como voltaje Zener (Vz ) tiene lugar el corte. La condición
de corte se caracteriza por un descenso drástico en la resistencia del dispositivo y por una irrupción repentina de corriente. Este mecanismo de corte
es una combinación de dos fenómenos, llamados corte de Zener y corte de
avalancha. El corte es no destructivo, mientras no se exceda la capacidad
de potencia del dispositivo, recobrando éste rápidamente su propiedad de
bloquear el voltaje inverso. Los diodos Zener se consiguen en niveles de 2.4
372 Control electrónico de motores eléctricos
a 200 V. En la dirección de polarización progresiva, el diodo Zener se parece bastante a un rectificador de silicio convencional. Al igual que otros
semiconductores, los diodos Zener son sensibles a la temperatura y tienen
un coeficiente de temperatura que define la variación del voltaje Zener
con la temperatura. Esta circunstancia debe tomarse en cuenta en la aplicación de los diodos Zener en circuitos electrónicos. Pueden obtenerse diodos compesandos en temperatura como coeficientes de temperaturas tan
bajos como 0.0002 % por oC.
Existen muchos dispositivos con propiedades semejantes a las del diodo
Zener, a este diodo se le denomina diodo de corte unidereccional. Pueden
obtenerse diodos de corte bidireccional con características de corte de avalancha en las direcciones inversa y progresiva. El rectificador de conmutación
inversa (RSR: rectifier switching reverse) es un thyristor de dos terminales
con cuatro capas, con características de corte semejante a las del diodo
Zener, aunque con nivel de voltaje mucho más elevado y capacidades di/dt
de irrupción muy altas. Con frecuencia se le usa en la operación pulsante
continua como un SCR donde se requiera una alta di/dt, pero con el estado
de encendido iniciado por un voltaje de circuito, en lugar de por la acción de
una compuerta. Desde luego, es propiedad de todos los thyristores, incluso
los SCRs y TRIACs, encender por voltaje de ánodo de polarización invertida. Empero, en la mayor parte de las aplicaciones de SCRs y TRIACs,
donde el modo deseado de operación es a través de una señal de compuerta
controlada, el encendido por voltaje de polarización inversa es un modo
indeseable de operación y a menudo provoca fallas en el dispositivo.
8.4 TECNICAS DE CONMUTACION CON SCR
Un aspecto de importancia en el uso de SCRs y TRIACs en control de motores, es el tipo de circuitos requeridos para conmutar o apagar al dispositivo,
así como el costo, peso y complejidad de los circuitos de conmutación asociados. En esta sección se analizarán los requerimientos básicos de conmutación y algunos de los métodos principales utilizados para lograr una
buena conmutación en sistemas prácticos de control de motores. En las
referencias bibliográficas 1,2,4,11 y 12 se puede ahondar en el tema de la
teoría y práctica de la conmutación.
La operación básica de los SCRs se presentó brevemente en la sección
8.3.2. Se observó que el SCR se enciende por inyección de energía al dispositivo mediante la conexión de compuerta, que da lugar a una corte rápido
de voltajes de unión y a la formación de corriente de ánodo. Más allá de
un mínimo de corriente de ánodo, se "amarra" y pierde control sobre la
corriente de ánodo. A partir de este tiempo, esta corriente se determina
sólo por las condiciones en el circuito externo entre ánodo y cátodo, hasta
que se lleva una vez más al dispositivo al estado de bloqueo. La conmuta-
Técnicas de conmutación con SeR 373
ción se refiere al proceso de pasar al dispositivo de un estado de conducción
progresiva a uno de bloqueo progresivo, o "apagado" del SCR. El apagado
o conmutación proviene de dos posibles condiciones en el circuito ánodo-catodo global:
1. Corriente de ánodo muy baja o cero, originada por la apertura de un conmutador o algún otro mecanismo similar en el circuito externo o por
un incremento grande en la resistencia del circuito externo. Esta condición se denomina conmutación natural o por inanición y requiere un
lapso mucho mayor que el tiempo mínimo de apagado dado en la especificación de dispositivo.
2. Una polarización inversa de voltaje entre ánodo cátodo; esto es, el potencial de ánodo se encuentra abajo del de cátodo. Esta condición se
denomina conmutación forzada y se requiere en casi todas las aplicaciones prácticas de los SCRs.
La conmutación forzada se logra en los sistemas energizados con fuentes de C.C., mediante un arreglo de los elementos almacenadores de energía
(condensadores e inductores) con la adición de dispositivos de conmutación (por lo general SCRs), en sistemas energizados con fuentes de c.a., se
obtiene por medio de la inversión potencial.cíclica de la fuente de energía.
El mecanismo de la conmutación forzada se explicará con la ayuda de las
figuras 8.8 a 8.10. La primera l muestra las relaciones de corriente y voltaje
.-o
!Il
!Il
.,
'e"'
!Il
Xc;
.~ ~
~
i
",
--~---------r~~~~-.~----~-----------
g~
.,>
t
a:
FIGURA 8.8 Gráfica corriente-voltaje en SeR durante la conmutación.
374 Control electrónico de motores eléctricos
que deben existir en el SeR durante la conmutación para que ésta opere;
es decir, para que se apague el SeR. Esta característica 8 1 puede representar la corriente y voltaje en el SeR, en cualquiera de las figuras citadas. La
corriente i 1 se muestra en estos diagramas. El voltaje v 1 es el ánodo-cátodo a través de 8 1 • En las secciones que siguen se explicarán los medios
para lograr estas relaciones voltaje-corriente.
El SeR se encuentra en una condición conductora o de encendido en
la parte extrema izquierda de esta figura 8.8 y la conmutación se inicia
en un tiempo ti' cuando se introduce un voltaje negativo al circuito externo ánodo-cátodo. Este voltaje permanece en el nivel bajo de encendido
(1.5 a 2.0) hasta que la corriente de ánodo es cero en el tiempo t 2 ,cuando el
voltaje principia a ser negativo. El ánodo debe mantenerse a un potencial negativo (polarizado inversamente) durante un lapso prescrito hasta el tiempo
V'
5,
+
Eb
~
~
Le
52
c.~.{ ,:
FIGURA 8.9 Controlador de motor ilustrando la conmutación serie.
+
FIGURA 8.10 Supresor DC mostrando conmutación paralelo.
Técnicas de conmutación con SeR 375
t 6 • El intervalo tia t 6 se conoce como período de apagado del circuito ta
y debe ser un poco mayor que el tiempo tOFF de apagado del dispositivo
(figura 8.6) para conseguir un apagado de dispositivo seguro. Después de
la corriente de ánodo nula, viene un intervalo de recuperación inversa t 2 a
t 4 (generalmente de 3 11 seg. o menos) durante el cual ocurre la conducción
inversa, como se explicó para el rectificador de silicio en la sección 8.3.1.
Durante el proceso de conmutación, deben controlarse cuidadosamente
las dos características siguientes para lograr una buena conmutación y evitar fallas del dispositivo.
1. De ti a t 4 la razón de cambio de la corriente de ánodo, - di/dt debe ser
muy elevada. (No existe límite interno para la di/dt en este intervalo).
Aún el más ligero aumento de inductancia dentro del SCR o en serie con
el ánodo puede producir voltajes inducidos altos no previstos entre las
terminales de cátodo y ánodo. Para proteger al dispositivo durante este
intervalo, puede limitarse el voltaje inducido, colocando un circuito
serie capacitor-diodo entre el cátodoyánodo (llamado "red de compensación") o poniendo a tierra el ánodo a través de un "supresor de impulso"
en paralelo. (En la sección 8.6 se discutirán con más detalle estos diagramas protectores).
2. Subsecuente al tiempo de apagado forzado, (después de t 6 en la figura
8.8), hay un límite adicional para la razón en la que puede reaplicarse el
voltaje al SCR. Esta se conoce como especificación di/dt reaplicada
del SCR (es del orden de 20 a 50 V /11 seg para la mayor parte de los
SCRs).
Los diagramas para la conmutación forzada para controladores de motor
energizados con fuentes de C.C., se dividen en dos clasificaciones generales:
serie y paralelo. Esta clasificación se basa en la configuración del circuito
del capacitor de conmutación; es decir, si está eléctricamente en serie o
en paralelo con el SCR que va a conmutarse. Existen muchas configuraciones de circuito en ambas clasificaciones. Se presentarán aquí los dos conceptos de circuito básicos y se mostrarán otras variaciones en algunos de
los diagramas de control discutidos en secciones posteriores.
8.4.1 Conmutación serie
En la figura 8.9 13 se muestra un circuito elemental de conmutación serie. En este circuito, 8 I es el SCR principal que está siendo conmutado,
alimentando a la carga formada por una componente resistiva R y una inductiva L. El capacitor de conmutación es C; 8 2 es el SCR inversor y Le es
el inductor de inversión. La operación es la siguiente: La corriente de carga
se inicia encendiendo al SCR principal 8 I , mediante el circuito de compuer-
376 Control electrónico de motores eléctricos
tao La corriente fluye de la fuente a través de la carga y del capacitor de
conmutación y puede describirse, durante este intervalo, por la ecuación
diferencial de un circuito serie RLC:
(8.4)
La solución para la corriente i 1 es, para el caso subamortiguado (L/C n
R 2 /4),
(8.5)
donde
E = Eb - Eeo
Veo = es el voltaje del capacitor para un tiempo t = O; Veo es positivo
cuando la placa superior de C en la figura 8.8 es positiva respecto a la inferior;
VL/
C-(R/2i ,es la impedancia característica de Ohms;
10 = corriente para t = O
a = R/2L, es la constante de atenuación, 8- 1 •
Zo =
f3 =
VI/ LC-(R/2L)2 = Zo/ L, constante de fase en rad/seg.
La solución para el voltaje a través del condensador es
v = E - 1 R e - al [sen ( f3t + € + e) ]
e
b
lO o
sen e
(8.6)
donde
Zj=E/ 110 = impedancia de carga
sene=Zo/yZ/-RZj+(L/C) ; e=tan- I Z o/(Zj-R/2)
sen € = Zo/Y L/ C ; € = tan-le f3/ a)=tan -1(2Zo/ R)
La solución para el voltaje de carga (a través de R y L) es
(8.7)
Técnicas de conmutación con SeR 377
En muchos casos de interés en la conmutación serie, la corriente al principio del tiempo de encendido del SCR es cero. Poniendo /10 = O en las ecuaciones de la (8.5) a 8.7), se tiene
E _
1 =- e
1
20
sen f3t
at
E
Ve
(8.8)
(/10=0)
_
= Eb - - - ea/sen( f3t + €),
sen€
(/10=0)
(/10=0)
(8.9)
(8.10)
En la última de estas ecuaciones, L debe interpretarse como la inductancia
total del circuito serie, incluyendo la inductancia de batería o de fuente,
las inductancias asociadas con el SCR, con los conductores de ánodo y cátodo y la de carga. De manera semejante, R debe interpretarse como la
resistencia total del circuito serie.
Si el SeR (8 1 ) fuera un conmutador bilateral, las ecuaciones anteriores describirían la respuesta transitoria típica o "repiqueteo" de un circuito
RLG energizado con una fuente de C.C., que es de forma senoidal. Empero,
dado que la corriente inversa no puede fluir a través del SCR, se suspende
el flujo de corriente al término del primer medio período de la respuesta
sinusoidal. A esta corriente se le denominará, de aquí en adelante como
pulso seno. Se trata de la respuesta característica de un circuito RLC excitado con una fuente de C.C., través de un dispositivo unilateral, como un
diodo, un SCR o un transistor y ocurre con frecuencia en todo tipo de
circuito electrónico. La anchura de este pulso seno es
(8.11 )
(/10=0)
(8.12)
El tiempo T m, después del encendido inicial del SCR (en t = O), cuando el
pulso seno de corriente alcanza su valor máximo, es
(8.13)
(/10=0)
(8.14)
Durante este pulso seno, la inductancia L se carga primero hasta su valor
máximo de energía, que se completa aproximadamente en t = T m O (si
378 Control electrónico de motores eléctricos
lo = O) en un medio del período T o del pulso seno; esta energía se regresa
en seguida a la capacitancia c. Al término del pulso seno, cuando la corriente i = O, la inductancia se descarga totalmente y la capacitancia se carga
hasta un voltaje dado por
(8.15)
(8.16)
Supóngase que la capacitancia estuviera inicialmente desacargada (Veo
con corriente inicial cero. Para este caso, de la ecuación (8.16),
= O)
(8.17)
Para el circuito subamortiguado, el exponente R/2Zo es mucho menor que
la unidad y el voltaje en la capacitancia, al finalizar el pulso de corriente es
un poco menor que el doble del voltaje de la fuente Eb' Si la constante de
atenuación fuera cero, lo que implicaría un circuito sin pérdidas (R = O),
el voltaje del capacitor al término del pulso sería exactamente el doble del
de la fuente. Al término del pulso seno de corriente, sin tomar en cuenta
al intervalo breve de recuperación inversa, son nulos la corriente y el voltaje a través de la inductancia. El voltaje neto que aparece entre las terminales ánodo-cátodo es la diferencia entre el voltaje del capacitor y el de la
fuente que polariza inversamente al SeR. Si esta condición se mantiene
durante un intervalo mayor que el tiempo de apagado t orr , del SeR, éste se conmuta y se invierte a un estado de bloqueo progresivo. Este es el
mecanismo de la conmutación serie, probablemente el más sencillo y seguro de los medios de conmutar un SeR. Sin embargo, este circuito, por sí
mismo, es de poca utilidad, pues no es posible una operación ulterior de
éste con el SeR en l:na situación de polarización inversa.
El siguiente paso en la operación de un circuito así, es invertir el voltaje de la capacitancia a través del circuito 8 2 a Le, lo que se inicia encendiendo el SeR (82 ). Las relaciones de voltaje y corriente resultantes pueden
obtenerse usando las ecuaciones (8.5) a (8.17), con Eb el lo , iguales a cero
y con el voltaje Veo inicial de capacitancia, igual al voltaje de capacitancia
al final del pulso de corriente a través de 8 1 •
En estas ecuaciones y en las condiciones iniciales, es obvio que fluye
otro pulso seno de corriente a través del circuito e - 8 2 - Le , con dirección opuesta en e, comparado con el primer pulso. Al término de este
segundo pulso, se invierte la polaridad del voltaje de capacitancia, con la
placa superior ahora negativa respecto a la inferior (figura 8.9). La magnitud de este voltaje depende de la resistencia del inductor Le. Si esta resistencia es cero, el voltaje sería igual al existente al finalizar el primer pulso. El
Técnicas de conmutación con SeR 379
segundo pulso, necesario para invertir el voltaje de capacitancia, puede
iniciarse inmediatamente después de terminarse el primero, si el período
del segundo pulso se traduce en una condición de polarización inversa que
se mantenga a través del SCR principal, durante un tiempo mayor al de apagado del S) . Para el circuito de la figura 8.9 este intervalo T Q puede obtenerse de la expresión
(8.18)
donde
sen€
Ro
tan~=----
-
-CoS€
Zf
=tan€
(110=0)
Observése que T Q es el intervalo que sucede al tiempo de apagad(, de
S2 , durante el cual aparece un voltaje negativo a través de la capacitanci l. Si
se supone que T Q, que es el tiempo de conmutación del circuito, es lu suficientemente grande para apagar a SI, el circuito estará listo para otra
operación que siga a la inversión del voltaje de capacitancia. Obsérvese que
S2 se conmuta, también, por un proceso de conmutación serie al término
del pulso inversor, cuando los voltajes de la fuente y de la capacitancia
quedan en serie aditiva. Si SIse enciende ahora, es posible que ocurra otra
vez el flujo de corriente progresiva a través de SI. La corriente máxima del
pulso será de mayor magnitud en este tercer pulso, en virtud del voltaje
mayor aplicado a través del circuito serie RLC, que es ahora la suma Eb +
Veo de los voltajes de fuente y capacitancia. Igualando E a este valor en
las ecuaciones (8.5) a (8.17), es posible analizar el circuito como se hizo
durante los pulsos previos.
Si se continúa el proceso de operación alternante de S) Y S2 , como
se describió en el último parágrafo, el voltaje de capacitancia alcanzará un
valor que puede ser mucho mayor que el voltaje de la fuente. Si la resistencia
del circuito fuera cero, el voltaje de capacitancia se aproximaría a un valor
infinito mediante esta técnica. Con resistencia de circuito finita, que siempre está presente, el voltaje final o de estado de régimen a través de la capacitancia en el instante en que SI se enciende, es
(8.18a)
Este proceso es útil en muchos circuitos multiplicadores de voltaje y en
partes de circuitos de conmutación serie y paralelo con thyristores.
380 Control electrónico de motores eléctricos
8.4.2 Conmutación paralelo
Uno de los primeros circuitos y más sencillos de conmutación paralelo es
el Margan 1,14 , en el que el apagado se inicia por la acción conmutadora de
un transformador de saturación (ver capítulo 3). Como consecuencia del descenso de costos de los SCRs, desde la introducción del circuito Margan, se
reemplazó el transformador de saturación por un SCR de conmutación y
por el circuito inversor que aparece en la figura 8.10. Aquí, SI representa
al SCR principal que se conmuta y alimenta a la carga formada por una
resistencia R y una inductancia L. S2 es el SCR de conmutación; S3 es de
inversión; e el capacitar de conmutación y Le el inductor de inversión.
En muchos circuitos de conmutación paralelo, S2 puede sustituirse
por un diodo. Si se supone que S2 es un SCR, la operación es como sigue.
Supóngase que el circuito de la figura 8.10 está descargado inicialmente. Los SCRs SI y S2 se encienden simultáneamente. Las corrientes i 1 e i 2
fluyen por ambos SCRs y por la carga, con iL = i 1 + i2 • La corriente i2 ,
que circula por la trayectoria Eb - S2 - e - R - L puede determinarse
por las ecuaciones de la sección anterior. La i 1 , a través de la trayectoria
Eb --- SI - R - L sigue el crecimiento típico de corriente en un circuito
R - L, energizado con una fuente de c.c. El valor de la capacitancia se escoge de tal suerte que a) el pulso seno de corriente durante esta operación
sea relativamente corto, en comparación con el pulso esperado en tiempo
de encendido de corriente en la carga y b) se almacene suficiente energía
en la capacitancia para conmutar a S4 al finalizar el pulso de encendido en
la carga. El SCR se conmuta por medio del mecanismo de la conmutación serie descrito en la sección anterior e i 2 = O al completarse la conmutación.
Mientras SI está aún en la condición de encendido, se invierte el voltaje de la capacitancia de conmutación, a través del circuito inversor S3 Le, con corriente i 3 , como se describió en la sección previa. Al finalizar
esta operación, el voltaje de capacitancia es un poco menor a dos veces el
de la fuente, con la placa superior en un potencial negativo respecto a la
inferior. Cuando se desea terminar el pulso de corriente de carga a través
de L y R, se enciende nuevamente el S2 ; esto hace que el SCR principal
se polarice inversamente por el voltaje de capacitancia y su corriente i¡ se
transfiera casi de inmediato a la capacitancia. Si hay una inductancia insignificante en SI, e y el alambrado de conexión entre SI y e, la transferencia de corriente tendrá lugar instantáneamente. Si se matiene una condición
así, durante un lapso suficiente, es decir, mayor que el tiempo de apagado
de SI, éste se conmutará. El voltaje en e se invertirá de nuevo Y S2 se
apagará eventualmente por conmutación serie. La transferencia rápida
de corriente de ánodo proveniente de la conmutación que se opera en el
SeRa un capacitaren paralelo ,es la situación que se ilustra en la figura 8.8.
La corriente a través de la capacitancia y la carga durante el lapso de
conmutación puede calcularse de las ecuaciones de la sección anterior,
Técnicas de conmutación con SeR 381
haciendo lo igual a la corriente en 8 1 al principio de la conmutación (cuando
8 2 se enciende) y Veo igual al voltaje en e (con signo negativo), lo que
conduce a E = Eb + Veo' Se ve que esta corriente, durante el apagado de
8 1 , es un pulso seno de período T o , determinado por los valores de C,L,R
y e. El valor de e lo determinan los valores de lo Y Veo' Estas ecuaciones
permiten el diseño de un circuito de conmutación, para conmutar un valor
lo de corriente en un SCR de especificaciones prescritas, que son los voltajes pico progresivo e inverso (que fijan un límite superior a Veo), el t off
(que determina el tiempo T Q de apagado requerido de circuito) y el término reaplicado dv/dt. Deben también examinarse las características térmicas
durante la conmutación.
Al usar las ecuaciones de la sección 8.4.1 para el diseño de los circuitos de conmutación de SCR, deben tenerse en cuenta varios aspectos:
1. Estas ecuaciones se basan en una inductancia lineal L, cuya saturación
puede fácilmente presentarse durante el pico de corriente del pulso de
conmutación, si posee un núcleo ferromagnético.
2. Si la carga es un motor, la representación equivalente de carga debe necesariamente incluir un voltaje activo (tal como la fcem en un máquina
de conmutación).
3. Muchas cargas inductivas, incluso numerosas cargas de motores, están
en paralelo con un diodo de marcha a rueda libre, que altera la naturaleza de la impedancia de carga. Esta circunstancia se discutirá más tarde
con los supresores de c.c.
4. L y R deben forzamente representar inductancia y resistencia totales del
circuito. La inductancias de conductores y de la batería pueden ser
de consideración en muchos diseños.
5. En forma semejante, una resistencia excesiva de circuito puede originar problemas no sólo por aumentar las pérdidas del sistema, sino además
por reducir la carga en el capacitor de conmutación. Como se observó,
un circuito de conmutación serie debe ser subamortiguado para alcanzar
la sobrecarga del capacitor.
Si se conocen la carga R,L, el voltaje de batería y las especificaciones
de SCR, el diseño del circuito de conmutación consiste en determinar el
valor de la capacitancia de conmutación e, el de la inductancia Le deinversión y las de especificaciones de los SCRs requeridos. Esto se hace suponiendo un valor de la capacitancia y un Veo y determinando el tiempo T Q
de apagado del circuito, dado por la ecuación (8.18). Este proceso se reali-
382 Control electrónico de motores eléctricos
za óptimamente por medio de simulación en computadora de las ecuaciones
(8.5) a (8.18), ya que por lo general, se requiere cierto número de iteraciones y la soluciones de estas ecuaciones no son sencillas. Este es especialmente
el caso, cuando se precisa usar un valor diferente a cero para lo, como
que se requiere en el diseño de diagramas de conmutación paralelo. N o obstante, muchas veces es más conveniente calcular características de conmutación sin un análisis complicado, lo que puede hacerse elaborando algunas
hipótesis que simplifican esas ecuaciones. La más obvia, es ignorar la resistencia del circuito R, modificando los parámetros de la ecuación así:
0:=0;
/3=_1_.
'2"
c:=-
YLC'
Zo
e=tan- I -
Z
.
Z'
'f
~ =tan - I .-!... = :!!.. Zo 2
e
(8.19)
(8.20)
(8.21 )
(8.22)
De la ecuación (8.22) se deriva una "receta" para una primera aproximación al valor del condensador de conmutación: se ve que (3 T Q = 1T /2 o
sea,
T =YLC
Q
(:!!..)=
2 ",/2
/3 =T
m
(8.23)
que a menudo se expresa aproximadamente como
(8.24)
El valor máximo de corriente es, de las ecuaciones (8.15) y (8.13),
1 _ =i(T )=1 e-aTm(senc: )
max
m
o
sen e
(8.25)
(8.26)
Si se usa la suposición R
=
O para simplificar la ecuación (8.25) se hace
(8.27)
Técnicas de conmutación con SeR 383
Esta es una expresión muy útil, pues da la razón entre el voltaje pico del
circuito serie y la corriente máxima, incluyendo los efectos de una corriente inicial lo y de un voltaje inicial de capacitor Veo' Utilizando la expresión
simplificada para Zo de la ecuación (8.19) y sustituyendo en la (8.24)
para eliminar a L, se obtiene
(8.28)
donde
Imáx =
corriente pico de capacitor durante la conmutación
Además, Epk se toma generalmente como el voltaje máximo en el condensador.
Estas relaciones se ilustrarán ahora mediante ejemplos.
Ejemplo 8.3
Un circuito serie, como el que aparece en la figura 8.9, está constituido por
los siguientes elementos: R = 0.4 n, L = 125 /lH, e = 100 /lF Y Eb = 72
V. Determinar la corriente máxima, la anchura del pulso de corriente y el
tiempo para el que es máxima la corriente en el pulso de corriente que sucede al encendido de SI'
Deben calcularse en primer término varios de los parámetros enlistados bajo la ecuación (8.5):
Zo
~VLe _(R)2
2
=11'
. ,
Con estos valores se encuentra que la anchura del pulso de corriente es, de
la ecuación (8.12)
T =
o
'17
.88 X 104 =
358
fLs
de la ecuación (8.14) se obtiene
T
m
=
1.39
= 158 s
(0.89 X 104)
fL
384 Control electrónico de motores eléctricos
Sustituyendo T m en la ecuación (8.26) y calculando ex se tiene
ex= ~ =
0.4
= 1.6 X 103
2L 250x 10-6
Imáx =
J.~ (e-· 252 )(sen79.r) =50.2 A
Ejemplo 8.4
¿ Cuál es el valor del voltaje en la capacitancia al finalizar el pulso de corriente del ejemplo 8.3?
De la ecuación (8.16) se obtiene
vc ( To ) = 72(1 + e -.572) = 72(1 +0.565) = 113 V
Ejemplo 8.5
En la figura 8.9 tanto SI como S2 van a operarse alternamente, con las
mismas constantes de circuito del ejemplo 8.3. Tómese Le = 20 /lH y supóngase que, en estado de régimen, el voltaje en e es de 180 V, cada vez
que SI Y S2 se encienden. Esto implica una resistencia nula en el circuito
de inversión. Determinar el valor máximo del nuevo pulso de corriente a
través de SI , la anchura de pulso y la corriente máxima del pulso a través
de S2. Cerciorarse que el tiempo T Q de conmutación del circuito es lo suficientemente grande para garantizar una conmutación segura de SI.
Los parámetros temporales del pulso a través de SI son los mismos
que en el problema 8.3, así que la corriente máxima puede determinarse
de
1 _=
max
(72+180)
(e -O.252)(sen79.7°) = 176 A
1.1
Para el pulso de corriente en el circuito inversor,
f3=
17
To = -f3 = 141
"S·,
r
.
180
Imáx = 0.448 = 402 A
Tm =
17/2
-Le
fi;
/3 = 70.5 /Ls
=
,¡¡:;
012
- =2 .24x 104
2000
Encendido de circuito de base y de compuerta 385
Obsérvese que este pulso es angosto con corriente pico elevada, lo que es
característico de los pulsos de corriente requeridos en este tipo de circuitos. El tiempo de apagado o de conmutación de circuito (tiempo después
de haberse encendido 8 2 ) es, en este caso, el tiempo durante el cual el voltaje en el capacitor es aún mayor que el de la fuente, con el objeto de
mantener una polarización inversa en 8 2 • Puede determinarse haciendo a
Ve igual a 72 V en la ecuación (8.9) y resolviendo para el tiempo. Notar
que en los cálculos del circuito de inversión, Eb es cero.
72 = O-
180
. I
1T )
T.O
(I.O)sen, f3t Q + 2'
Al resolver para t Q se tiene
f3t Q =66.4° = l.l4 rad;
tQ =
l.l4
= 51 us
2.24 X l(f
I
Este valor es adecuado para muchos tipos de SCRs en este intervalo de potencias.
Ejemplo 8.6
Si se supone que no existe demora en el encendido de los SCRs del ejemplo 8.4, determinar la corriente eficaz en el condesandor.
La forma de onda de corriente en el condensador tiene las características que se ilustran en la figura 8.11. Para determinar el valor eficaz de
corriente, puede usarse la tabla 8.1:
1. Por
353
] = 105 A
[ 2(353+ 141)
2. Por
141
]
[ 2(353 + 141)
= 152 A
3. Valor eficaz de corriente en C= 'V 105 + 152 = 185 A
2
2
8.5 TECNICAS DE ENCENDIDO DE CIRCUITO DE BASE Y DE
COMPUERTA
Las posibilidades de control de los thyristores y de los transistores de potencia proceden de su capacidad para pasar de un estado de alta impedancia a
uno de muy baja, en un lapso sumamente pequeño. Esta acción, a la que
se llama encendido del dispositivo, se inicia mediante la terminal de compuerta en los thyristores y por la conexión de base en el transitor de emi-
386 Control electrónico de motores eléctricos
¡(A)
406
FIGURA 8.11 Forma de onda de corriente en el ejemplo 8.6.
sor común. Los circuitos conectados a la compuerta o la terminal de base, se
diseñan para pasar las señales de control fundamentales del sistema a la
acción correcta de encendido en el dispositivo de potencia. Estas señales
pueden provenir directamente de algún operador humano o de un programa grabado con anterioridad o parcialmente, por señales de retroalimentación que resultandelas condiciones de operación del motor,como velocidad,
par o temperatura. Ya en este capítulo se denominó a esta parte del circuito
conectado a la compuerta, sistema de control lógico. En esta sección, el
interés principal radica en los circuitos adyacentes eléctricamente a la compuerta o la terminal de base, cuya función es desarrollar la señal eléctrica
adecuada para el encendido del dispositivo. Se trata a menudo del circuito
de disparo.
8.5.1 Requerimientos de la señal de compuerta del thyristor
Una señal de compuerta de thyristor para el encendido de dispositivo es un
pulso, generalmente de sólo unos microsegundos. Su función es inyectar
energía a la capa de material inferior del dispositivo para iniciar el flujo de
corriente entre la compuerta y el ánodo, lo que reduce los voltajes de unión
del dispositivo, haciéndolo que pierda su capacidad de bloqueo progresivo
y permitiendo que empiece a fluir la corriente anódica. El corte inicial
comienza con una mancha pequeña alrededor de la carga de compuerta y
enseguida principia a extenderse radialmente hacia afuera, procedente de
la conexión de compuerta. El proceso se acelera a medida que la corriente comienza a circular. En las primeras etapas del encendido de dispositivo,
sólo la pequeña mancha cerca del conductor de compuerta se "enciende"
y es capaz de conducir corriente de ánodo. Dado que esta mancha, para
Encendido de circuito de base y de compuerta 387
un lapso pequeño, es de sección transversal muy pequeña, en comparación
con la del recorte total del semiconductor, su resistencia equivalente al flujo
de corriente es alta. Esta situación se traduce en pérdidas ¡2 R altamente localizadas que, a su vez, pueden dar lugar a la generación anormal de calor
localizada o "manchas calientes", estas condiciones pueden hacer que falle
el dispositivo. Por esta razón, la relación en que aumente la corriente de ánodo (determinada en este lapso por la inductancia externa entre ánodo y
cátodo) debe conservarse dentro de ciertos límites, como se especifica en
la hoja de datos del dispositivo (su característica di/dt, figura 8.6). Los
tiempos de encendido para los SCRs van desde unos centenares de nanosegundos, hasta varios microsegundos. El tiempo de encendio es uno de los
factores que establecen un límite superior a la frecuencia de conmutación
a la que puede operar el dispositivo. Durante este período de encendido
puede ser muy alta la potencia instantánea que se disipa en el dispositivo y
contribuye a lo que se denomina, pérdida por conmutación.
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---
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(B)
O
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
2.4
Compuerta de corriente instantánea (A)
FIGURA 8.12 Características de encendido de compuerta.
388 Control electrónico de motores eléctricos
En la figura 8.12 se muestran las características generales que se requieren para encender por la compuerta. Esta figura ilustra una región
aceptable de voltaje y corriente de compuerta para el encendido del dispositivo. Los valores numéricos dentro de esta región varían un poco en
función del tipo y dimensión del dispositivo. El tiempo de encendio del
dispositivo puede variar considerablemente para pulsos de voltaje y corriente dentro de la región establecida. Los pulsos de alta corriente y corta duración reducen por lo común el tiempo de encendido del dispositivo. Esto
se conoce como disparo duro o sobreimpulso de compuerta. Una forma
de pulso de compuerta que se usa bastante, tiene un alto valor inicial de
corriente con un tiempo sumamente corto de elevación, reduciéndose rápidamente a un nivel bajo de corriente y permaneciendo así durante varios
microsegundos.
8.5.2 Circuitos de disparo de compuerta
Casi todos los tipos de circuitos de pulsos se usan para disparar thyristores y el diseño de circuitos de disparo sigue generalmente los métodos usados
c,
Devanados
de control
~
í--
Carga
------,
D,
I
I
I
I
I
I
I
Voltaje de
al imentac ión'
oC
»
T,
I
I
I
I
I
L_
5,
FIGURA 8.13 Circuito de disparo de un amplificador magnético de onda
completa.
Encendido de circuito de base y de compuerta 389
para otros tipos de circuitos de pulsos. Dependerá mucho de la naturaleza
de las señales de entrada a los circuitos de disparo (las señales de control
anotadas antes), de los requerimientos de operación de thyristor y de los
niveles de ruido electromagnético en las regiones de los circuitos de compuerta. Los sistemas de control de motores operan generalmente en condiciones de ruido electromagnético alto.
Las componentes que se usan mucho en circuitos o.e disparo, son del
tipo semiconductor y del magnético. Se utilizan con frecuencia amplificadores magnéticos para este propósito, aunque en los últimos años han sido
sustituidos por dispositivos de conmutación con semiconductores, con
RII
Voltaje de
al imentac ión
e1
FIGURA 8.14 Circuito semiconductor controlado en fase de media onda.
+30 V de
ACME T -64525
11c:t=:
22Q
1W
0.5 ¡.¡f/100V
Entrada
FIGURA 8.15 Módulo de disparo para un circuito de disparo de compuerta
de SCR.
390 Control electrónico de motores eléctricos
tiempos de conmutación por lo común, más reducidos y con sistemas de
disparo de peso menor que los de los dispositivos magnéticos. La figura
8.13 es ejemplo de un circuito de disparo para un puente con SCR de onda completa, utilizando amplificadores magnéticos. Dos tipos de conmutadores por semiconductor son útiles en esta aplicación: el transistor de
una sola unión (UJT; unijunction transistor) y el conmutador controlado
de silicio (Ses: silicon controlled switch). La figura 8.14 muestra un
circuito simple con un UJT. El transistor es probablemente el dispositivo
más común en circuitos de compuerta. La figura 8.15 muestra un circuito amplificador de transistor de acoplamiento de transformador a la compuerta SCR. Estos ejemplos ni siquiera esbozan el campo de la multitud
de circuitos y técnicos para el disparo de compuerta a thyristor. Se dispone enla actualidad de muchos sistemas de disparo empaquetados totalmente,
con uso amplio en aplicaciones normales, como los rectificadores controlados en fase.
El acoplamiento de transformador a la terminal de compuerta de thyristor, como el expuesto en la figura 8.15, es útil para reducir el ruido en
la compuerta, que a menudo origina un disparo falso del thyristor. El encendido falso de un thyristor puede ser un incidente muy peligroso, que con
frecuencia provoca fallas catastróficas, pues puede cortocircuitar al circuito ánodo-cátodo a través de la fuente de potencia. Esta situación se verá
con toda claridad cuando se discutan los circuitos de controlador de motores,
más adelante. En el capítulo 3 se analizaron brevemente los transformadores
de pulsos utilizados en disparo de compuertas. Para evitar capacitancias parásitas en un transformador procedentes de señales de ruido de acoplamiento
en la compuerta, deben diseñarse con todo cuidado la puesta a tierra del
transformador y su aislamiento magnético.
8.5.3 Señales de base de transistores
Los circuitos para el encendido de transistores de potencia son probablemente más conocidos para el lector y se analizan en muchos textos. La mayoría de los aspectos discutidos para las señales de compuerta de thyristor
se aplican a las de base de transistor. La señal de base se mantiene, por supuesto, durante el tiempo completo de encendido del dispositivo, necesitando algunas diferencias de diseño respecto a los pulsos de compuerta
muy cortos requeridos para el encendido del thyristor. En la sección 8.3.5,
se analizaron algunas de las variaciones deseadas en la señal de base para
obtener ciertas características de encendido y apagado. Puesto que los
transistores se conectan con frecuencia en paralelo, para hacer posible altas corrientes en aplicaciones de control de motores, es importante una
sincronización adecuada de señales de base. La figura 8.16 muestra un
impulso seguidor -emisor común para N transistores en paralelo, donde se
obtiene la sincronización conectando en paralelo las N tprminales de base.
Protección de semiconductor de potencia 391
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FIGURA 8.16 Impulsor seguidor de emisor común.
La figura 8.17 ilustra un impulso completo para operar un transistor en
modulación de anchura de pulso, que se discutirá después en este capítulo.
8.6 PROTECCION DE SEMICONDUCTOR DE POTENCIA
Los semiconductores de potencia se dañan con facilidad operándolos a
temperaturas altas, con sobrecorrientes, por picos o transitorios que causan
disparo falso del dispositivo de potencia y, en el caso de los thyristores,
por una elevación de corriente excesiva al encenderse. Esta última fuente potencial de falla puede evitarse sólo con un diseño adecuado del circuito
en encendido y con la elección adecuada del thyristor para la aplicación específica.
Debe también efectuarse la protección térmica de un dispositivo de
potencia, durante la etapa de diseño de un sistema de control de motor.
No hay una verdadera protección para temperaturas excesivas del dispositivo, aunque con un análisis conveniente de la carga del dispositivo que se
prevé, pueden escogerse para una aplicación específica un dispositivo con
capacidades de voltaje y corriente suficientes y un disipador de calor adecuado. El análisis requerido incluye aspectos térmicos para determinar la dimensión y tipo del disipador de calor necesario, en base a las pérdidas
internas previstas de los dispositivos semiconductores. El análisis térmico
de los dispositivos semiconductores no está dentro de los objetivos de este
texto, aunque en las referenoias 1,2,7 y 8 pueden encontrarse muchas
orientaciones para seleccionar disipadores de calor y métodos de enfriamiento líquido o por aire forzado.
La protección en sobrecorrientes requiere fusibles de interrupción
rápida, en virtud de la baja capacidad de los semiconductores de potencia
para sobrecarga de corriente. La capacidad de fusible debe estar dentro de
w
\C)
N
Generador de d ¡entes de sierra
I
~
430n
100n;>
>8.2 K
I
>430 ni
Limitador de
amplitud de pulso
Circuito Schmit
modificado
-9V
+24 V
Control
de
1.5 K
200 n
~
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2.2 K
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1 N4003
I
I
FIGURA 8.17 Modulador de anchura de pulso para transistor pnp.
Para cargar sal ida de ampl ificador de
retroalimentación (no invertido)
Rectificadores controlados en fase 393
la característica [2 t del semiconductor, un parámetro que se da en el resumen de datos del dispositivo (ver figura 8.6). Los fusibles diseñados para
esta aplicación se encuentran en el comercio y se ilustran en la figura 8.5.
Un disparo impropio, debido a picos de voltaje se reduce principalmente con un diseño adecuado del circuito de disparo de compuerta. Sin
embargo, para evitar un disparo proveniente de señales externas que pueden acoplarse inadvertidamente al dispositivo o a sus circuitos de potencia,
se conectan en paralelo las terminales ánodo-cátodo de los thyristores mediante una red R - e, como se ilustra en la figura 8.18. En las referencias
1,2 y 16 se dan métodos para el diseño de estas redes, llamadas de compensación.
8.7 RECTIFICADORES
CONT~OLADOS
EN FASE
Este circuito lleva en su nombre bastante información tocante asu naturaleza. La palabra rectificador implica que se trata de un dispositivo de conversación de c.a., a C.C., lo que en efecto es. El término rectificador controlado,
implica el uso de rectificadores controlados de silicio, más que de rectificadores comunes, lo que también es cierto, Finalmente, fase significa control
en función de una señal relacionada con la fase de la c.a., lo que es también
verdad. Los rectificadores controlados en fase, se refieren auna colección de
circuitos que, en función de sus circuitos de potencia, son idénticos a los
bien conocidos que se utilizan para conversión c.ajc.c., en todos los niveles de potencia. Los circuitos rectificadores carecen de propiedades inherentes de control, aunque son circuitos de conversación con niveles de
voltaje c.a.-c.c., determinados que varían sólo ligeramente cuando se producen caídas de voltaje por corrientes de carga. Cuando se remplaza el dispositivo rectificador por un rectificador controlado, específicamente por
un SCR, estos circuitos conservan todas sus propiedades de conversión
c.a.jc.c. Pueden además, efectuar un gran control sobre las magnitudes de
corriente y voltaje en c.c. Los circuitos rectificadores controlados en fase,
se usan ampliamente para el control de motores de conmutador en C.C., en
casi todas las capacidades de potencia donde el suministro de potencia
en corriente alterna, constituyen la forma más simple de control electrónico de motores de las cuatro clases que se discutirán. Esto se debe en parte
a que los SCRs conmutan en la línea de la fuente de c.a., en lugar de requerir conmutación mediante circuitos auxiliares del tipo analizado en la
Sección 8.4.
En el capítulo 5, se presentaron las diversas técnicas para el control de
motores con conmutador en c.c. y se observó que se agrupaban en dos categorías generales: control de armadura y control de campo. En el caso del
motor serie, el voltaje de control opera sobre la armadura y el campo en
serie. Estos tres modos generales de control de motores con conmutador
394 Control electrónico de motores eléctricos
FIGURA 8.18 Red compensador Re usada en la protección de thyristores en
voltajes transitorios.
en c.c., tienen implicaciones diferentes con respecto a la operación, formas
de onda y técnicas de control del sistema controlador. En el caso de un
motor excitado por separado, en el que sólo se va a usar el control de campo, se observa el controlador dentro de un circuito estático R-L: esto es,
el circuito de campo. En los casos de control de armadura de un motor excitado separadamente y el control de un motor serie, se ve el controlador
como un circuito activo, formado por la fcem del motor más una resistencia
e inductancia equivalentes en serie. La distinción entre cartas activa y pasiva tendrá cierta importancia en el análisis. Los circuitos rectificadores controlados en fase se usan para controlar los circuitos de campo y de armadura
(y al motor serie), por lo que tiene interés calcular la operación de estos
circuitos con cargas activa y pasiva.
El circuito rectificador más simple es el de media onda, con este circuito se demostrarán los principios generales del control en fase. La figura
8.19 ilustra un rectificador controlado en fase simple de media onda, usado en el control de una carga inductiva estática. En esa misma figura se
muestran también las formas de onda de varios voltajes y corrientes. Aquí,
Vi 11 es el voltaje de entrada, una cantidad sinusoidal de frecuencia 1 /T P' El
SeR se programa para encenderse a un estado conductivo en un lapso
Tex después de cada cruce con cero del voltaje creciente en cada ciclo.
A la mitad del período Tú> el voltaje aplicado se hace negativo, dando
una polarización inversa al SeR 8 1 , No obstante, en virtud de la carga inductiva, la corriente se atrasa en fase al voltaje y persiste después del tiempo
T". Se aplica polarización inversa a 8 1 durante el medio período completo
T p - T o , asegurando un apagado adecuado. La forma de onda de las corrientes de carga i L es sinusoidal y puede calcularse con las relaciones convencionales para un circuito R-L energizado con voltaje sinusoidal con característica
de tiempo cero igual a T ex. Los valores eficaces y promedios de las corrientes y voltajes instantáneos expuestos en la figura 8.19 pueden obtenerse
con la ayuda de la tabla 8.1. Se ve que el voltaje y corriente de carga se
controla por el valor del tiempo T ex, que se determina cronometrando el
Rectificadores controlados en fase 395
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FIGURA 8.19 Rectificador controlado monofásico de media onda con carga
estática.
pulso de la compuerta para SI. Aumentando Ta, se reducen los valores eficaces y promedios de la corriente y voltaje de carga, de acuerdo con las
relaciones dadas en el párrafo 7 de la tabla 8.1.
En la figura 8.20 se muestra un circuito puente de onda completa,
junto con formas de onda seleccionadas para una carga estática R-I.. Se ve
que sólo dos de los cuatro dispositivos semiconductores en el puente deben ser rectificadores controlados. Este circuito es rara vez de utilidad en
la forma que ilustra la figura 8.20, por dos razones: la corriente en la carga
es de naturaleza pulsante con razones bajas de corriente promedio y eficaz
a corriente pico y para cargas altamente inductivas, la corriente de un pulso puede persistir dentro del tiempo en que se encienda el segundo SeR. En
esta condición, la polarización neta inversa, a través del primer SeR, es aproximadamente de 2V (diferencia entre el voltaje de entrada y la caída de
voltaje de carga o la caída de voltaje serie a través del segundo par de SeR
396 Control electrónico de motores eléctricos
r
L
Or--+------~~------_+--_r------~~------~----
o
FIGURA 8.20 Rectificador controlado monofásico de onda comp'leta con
carga estática.
y el diodo), lo que puede conducir a un tiempo de apagado lento del primer SCR. En la mayoría de las aplicaciones de carga inductiva, la carga
está en paralelo con un diodo de rueda libre, como se muestra en la figura
8.21. Este diodo permite una corriente de carga más continua o corriente
de armadura y mejora la capacidad de apagado del primer SCR.
La operación del circuito de la figura 8.21 es como sigue: supóngase
que el sistema se encuentra en una condición de estado de régimen en t =
T ex, con una corriente 10 en la carga y el diodo de rueda libre y todos los
semiconductores en estado apagado. Este análisis de iniciará con el encendido de SI' Al encenderse, "ve" la combinación paralelo de la carga y del
diodo, más la caída de voltaje a través de D 2 •
Rectificadores controlados en. fase 397
DFW
Or_-----+-~-----~_+----~r_~----4_~----_+------
s,
Or-____
~-L
____
~~L_
_ _ _ _ _ L _ L_ _ _ _ _ _
L_~
_ _ _ _ _ L_ _ _ _ _ _
o
FIG URA 8.21 Rectificador controlado monofásico de onda completa con carga estática y diodo de rueda libre.
Esa combinación paralelo se presenta como una caída de voltaje igual al
voltaje de saturación del diodo, alrededor de 1.0 V para un rectificador de
silicio. De este modo, al sumarse el voltaje equivalente a través de D 2 , se
tiene un voltaje generalmente despreciable en comparación de Vi" y la
conducción se inicia instantáneamente en 8 I • La conducción continúa hasta un poco después de que el voltaje de entrada invierta la polaridad en 1'0
específicamente después de gue el valor negativo de Vi" exceda a la caíd~
de voltaje de la combinación carga-diodo, o sea, alrededor de -1.0 V. Después de esto, 8 1 se polariza inversamente y conmuta; la corriente continúa
398 Control electrónico de motores eléctricos
circulando por la combinación carga-diodo, hasta que se enciende 8 2 en
un lapso T 01.' después del primer medio período. La conducción a través de
8 2 , es casi instantánea por las mismas razones que se dieron antes cuando
se encendió 8 y persiste así, hasta un poco después de que el voltaje de
entrada se haga nuevamente positivo, conmutando 8 2 • Por un lapso breve,
la corriente de carga "circula a rueda libre" otra vez a través de DF w, hasta que 8 I se enciende nuevamente y el proceso descrito se repite.
Durante el tiempo en que conduce el diodo de rueda libre en la operación anterior del circuito de la figura 8.21, puede calcularse la corriente
mediante las relaciones para una corriente transitoria en un circuito R-L
cortocircuitado a través de sí mismo (lo cual pasa por alto la caída del voltaje pequeña a través del diodo), con una corriente inicial (t = O) igual a
la corriente existente cuando cesa la conducción del SCR. Es decir, la corriente durante el período de rueda libre tiene la forma de onda del descenso de corriente transitoria en un circuito R-L. El pulso de corriente
sinusoidal durante el tiempo en que conduce uno de los SCR es el de un
circuito R-L energizado por una fuente sinusoidal. En la figura 8.21 se
relaciona con todo detalle el principio de esta corriente (t = O) con el T 01.'
De esta manera, la corriente de carga que expone esa figura, es la combinación parte a parte de dos corrientes transitorias que pueden calcularse
con toda facilidad. Esto es característico de las formas de onda de los sistemas de control de motores.
Con una carga activa, como la armadura de motor, las formas de onda
son semejantes a las que se tienen con carga pasiva y se ilustran en la figura
8.22. Aquí, la fem de armadura Ea' se muestra como una magnitud constante respecto al tiempo. En realidad, existe una ligera ondulación en la
curva de Ea' pues el motor se acelera un poco cuando lo energiza el puente
y se decelera levemente cuando la corriente de armadura circula a rueda libre. Salvo en motores con inercia muy ligera, esta ondulación es demasiado
pequeña para poder observarse. La diferencia principal entre las operaciones de circuitos con cargas pasiva y activa, es el instante en que se apaga
el puente y principia la circulación a rueda libre. Con una carga activa, representada por un voltaje Ea' este instante ocurre cuando el voltaje de
líneas U in , llega a ser menor en magnitud que Ea. En la figura 8.22, este
instante se muestra como T . Los valores promedio y eficaz para las ondas
de voltaje y corriente, mosirados para los circuitos de rectificados controlado en fase, pueden calcularse de las relaciones dadas en la tabla 8.l.
Cuando la fuente de potencia para el motor es polifásica, se usan circuitos de puente polifásicos en control de fase. La figura 8.23 ilustra al
circuito de media onda trifásico y las formas de onda asociadas. La 8.24
muestra el circuito trifásico, de puente de onda completa que es el circuito inversor y rectificador polifásico más común.
Rectificadores controlados en fase 399
8.7.1 Aspectos del diodo de rueda libre
Este diodo requiere observaciones adicionales al dimensionar los SCRs
en el rectificador controlado en fase y en la mayoría de otros controladores. Por ejemplo, cuando se enciende SIen la figura 8.22, el diodo de rueda
+
Or--L--~--~----+---+---~--+-----+
5,
5,
Or--+----~~~----~--+---_+--_+----_+---i------------­
I
I
I
'U-
Or------------------------------------------------------
FIGURA 8.22 Rectificador controlado de onda completa con carga activa y
diodo de rueda libre.
400 Control electrónico de motores eléctricos
A
Voltaje
trifásico
B
e
N
~t
~t
FIGURA 8.23 Rectificador controlado trifásico de media onda.
libre se polariza inversamente y se apaga, dando lugar a que su corriente
(que es también la de armadura) se transfiera al circuito de puente a través de SI Y D 2 • La formación de corriente en S 1 se limita sólo por la inductancia en estas dos ramas del circuito puente y por la fuente de potencia,
pues la inductancia de armadura está ya cargada con este valor de corriente
de carga. La inductancia del puente y de la fuente es por lo común muy
baja. Por ejemplo, si la fuente es un "colector infinito", que es frecuentemente el caso en sistemas de potencia alta, carece de inductancia. Se tiene
inductancia de 1 JlHy o menos, lo que permite una formación muy rápida
de corriente en SI' que puede conducir a manchas calientes y falla del dispositivo. Esta situación se corrige con frecuencia colocando un reactor
pequeño saturable en serie con el ánodo de SI' lo que produce una demora
Rectificadores controlados en fase 401
A
Voltaje
trifásico
{_Be___
-t-_ _-I
~--~~--r--~
\
O~-L
__~~~~__~~__~__~~__J-~~-\~_ __ _
FIG URA 8.24 Rectificador controlado trifásico de onda completa y formas
de onda de voltaje.
de 5 a 10 J.Lseg, aproximadamente. Una vez que el reactor se satura, da lugar a una caída de voltaje y pérdida de potencia insignificantes. El flujo de
corriente inverso en el diodo de rueda libre durante su proceso de apagado,
que se discutió en la sección 8.3.1, puede tener también efectos nocivos
cuando se encienda en SCR del puente y puede producir picos de voltaje
elevado a través del SCR apagado en el puente.
Estas relaciones de circuito originadas por el uso de diodo de rueda
libre se presentan en todos los tipos de controladores que van a discutirse
y deben tenerse en cuenta, en el diseño de circuitos de controlador.
Ejemplo 8.7
Determinar el voltaje promedio, aplicado a la carga para el rectificador de
media onda controlado en fase de la figura 8.9, si el voltaje vin de entrada
es de 120 V Y 60 Hz, con un T ex igual a un medio de T o. Repetir para T ex
= 0.002 seg.
402 Control electrónico de motores eléctricos
El voltaje promedio puede obtenerse directamente de la tabla 8.1, párrafo 7. Para 60 Hz, el período T p es 0.0167 seg y el medio período 0.0083
seg. Para T ex igual a un medio de T o '
1
'lT ,¡-;;;o
Vprom = -2
(1 +cos- ) v 2 ·120=27 V
'lT
2
Para T ex igua a 0.002 seg,
~rom=
1 (
2'lT
0.002 ), M
1+cos'lT0.0083 v2 ·120=46.5 V
Ejemplo 8.8
Repetir el ejemplo 8.7 para el circuito de onda completa de la figura 8.20.
Para el cálculo de valores promedios, el período de un ciclo del voltaje
de carga en el circuito de onda completa es igual a medio período de la onda seno, expuesto como T o en la figura 8.20. Por consiguiente, usando
nuevamente la tabla 8.1 con T ex igual a un medio de To ,
Vprom =
1-(1 +cos'!!...)V2 ·120=54 V
'lT
2
que es dos veces el valor encontrado para el circuito de media onda, como
era de esperarse. El voltaje promedio, con T ex = 0.002 seg, será asimismo el
doble del circuito de media onda; esto es, 93 V.
Ejemplo 8.9
Si la carga en el circuito de onda completa de la figura 8.20 está formada
por una resistencia de 1.2 Ohms y una inductancia de 2 Ohms, determinar
la corriente de carga promedio para las dos condiciones de ángulo de disparo usadas en el ejemplo 8.8.
El voltaje promedio, a través de la inductancia de carga, es cero para
un período del voltaje aplicado, pues los volt-seg integrados a través de la
inductancia durante el proceso de carga (i en aumento) es igual exactamente a los volts-segs negativos integrados a través de la inductancia durante el proceso de descarga (i en descenso). En consecuencia, los voltajes
promedios calculados en los ejemplos anteriores aparecen sólo a través de
la resistencia de carga (sin tomar en cuenta las caídas en el SeR y en el diodo)
y puede encontrarse la corriente de carga promedio dividiendo el voltaje
promedio entre la resistencia de carga. Para T ex igual a un medio de To '
¡pro m = 54/1.2 = 45A; para T ex = 0.002 seg, ¡pro m = 93/1.2 = 77.5A.
Rectificadores controlados en fase 403
8.7.2 Relaciones de corrientes en un rectificador controlado
En los ejemplos anteriores se calcularon varios voltajes promedio para circuitos rectificadores controlados en fase, encontrándose que 'los parámetros
de forma de onda de la tabla 8.1 sirvieron para ese propósito. El análisis de
corrientes en circuitos rectificadores controlados no es tan sencillo.
Cuando se enciende un rectificador en un tiempo T ex, sobre una carga
inductiva de R Ohms y L Hy, puede calcularse el flujo de corriente resultante por medio de la teoría de circuitos. Las caídas de voltajes en este circuito se describen por la ecuación diferencial
E senwt= iR + L di
m
dt
(8.29)
La solución para la corriente en (8.29) es
donde
Vm
= valor máximo de vin , voltaje de entrada
I( T ex) = corriente de carga en t = T ex
7
= L/R, constante de tiempo de la carga
w = 2rrf = frecuencia angular de vin
Esta corriente tiene tres componentes: el valor en régimen estacionario,
que es el primer término de (8.30); una componente transitoria relacionada
con el voltaje, como segundo término, y otro término transitorio proveniente de un valor inicial de corriente en la inductancia. Este último término es característico de los sistemas con diodos de rueda libre. En circuitos
energizados en forma continua, estos términos transitorios desaparecen después de unos pocos ciclos de la señal de entrada. En circuitos energizados
discontinuamente, estos términos están presentes por lo general al principio de cada intervalo de conmutación y pueden tener tanta influencia en
la forma del pulso de corriente y en su período, como la tiene la componente de régimen estacionario. La forma del pulso de corriente descrito por
(8.30), que es una combinación de un pulso seno y términos exponenciales, se denomina a veces cuasisinusoidal, pues su apariencia se asemeja mucho a una forma sinusoidal. Los parámetros del pulso, como el período,
valor máximo, pendientes, etc., no pueden calcularse en base a supuestos
"
.!
404 Control electrónico de motores eléctricos
Vm
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
--,--,....~
/
/
/
o
/
/
/
/
/
/
/
/
I
al I
I
I I
I
I I
f---<P/w~
FIGURA 8.25 Pulso de corriente de carga para la figura 8.19.
sinusoidales. El análisis de este pulso de corriente es más complicado por
el hecho de que el primer término transitorio en (8.30) varía con el instante
en que se encienda el SCR, en este caso el tiempo T ex. Si el encendido tiene
lugar de tal suerte que wTex = cp, desaparece el segundo término de la ecuación (8.30). Si ocurre cuando wTex = cp ± 1f/2, el segundo término es máximo.
Puede observar el lector que esta situación existe en el encendido o energizado de muchos dispositivos inductivos, como transformadores, con fuentes
de c.a. Se ha intentado ya ilustrar ejemplos de estos pulsos cuasisenos: En
las figuras 8.19 y 8.20 los pulsos de corriente de carga son de esta forma,
con I(Tex ) cero. Los pulsos de corriente en el SCR (e intervalos de corriente de carga) en las figuras 8.21 y 8.22 son también de esta forma, aunque
con I( T ex) diferente de cero.
La figura 8.25 es una ilustración más detallada del tipo de pulso que
existe con corriente inicial I( Tcx) cero. También se muestran las dos componentes del pulso real de corriente: la de régimen estacionario y la transitoria. El período del pulso es
(8.31 )
Rectificadores controlados en fase 405
El valor de T f para un pulso de corriente de este tipo puede encontrarse
haciendo i = O Y t = Tf3 en (8.30), lo que da la ecuación trascendente
(8.32)
Esta ecuación es de la forma de (8.18) establecida para los circuitos de conmutación serie. El cálculo a mano de expresiones de esta forma para obtener
valores numéricos es tedioso y largo, aunque pueden desarrollarse fácilmente rutinas de computadora. Además se disponen de curvas que dan el período T o de esta forma de pulso en función de T ex y 4>.1 7
El cálculo del valor de corriente, promediado en el tiempo, a través
de la resistencia de carga para formas de pulso de corriente de este tipo
puede hacerse, por fortuna, por el método dado en el ejemplo 8.9, pues el
valor promedio en el tiempo del voltaje a través de la inductancia de carga
es cero. El promedio en el tiempo de la corriente continua se obtiene dividiendo el valor promedio del voltaje aplicado (obtenido de la tabla 1, párrafo 7) entre las resistencia de carga. Este valor se usa para determinar
eficiencias del sistema, potencia de carga y corrientes promedio tanto en
los SCRs como en los diodos. Los valores promedios en el tiempo de corriente y voltaje son los que miden instrumentos de lecturas promedio,
como los D' Arsenvol.
No obstante, el cálculo de valores eficaces de corrientes para este tipo de forma de pulso es mucho más difícil y requiere determinar el promedio del cuadrado del segundo miembro de (8.30) y después determinar
el período del pulso mediante (8.32). La referencia 12 desarrolla relaciones
gráficas, mediante las cuales pueden determinarse valores eficaces en términos de T ex Y 4> y, desde luego, también son aplicables rutinas de computadora. Con frecuencia son necesarios los valores eficaces de corrientes
para determinar pérdidas óhmicas en controladores de motor y para dimensionar los SCRs y los cables eléctricos.
Hasta aquí ha interesado primordialmente el análisis de (8.30), con
corriente inicial I(Tex) nula, lo cual se aplica a los pulsos de corriente de
carga de las figuras 8.19 y 8.20, y a muchos circuitos semejantes. Con mayor generalidad, estas relaciones se aplican a un flujo discontinuo de corriente en circuitosRL energizados con fuentes de forma sinusoidal. El caso
de flujo continuo de corriente también interesa y existe en muchos sistemas de control de motores, en los que el motor está en paralelo con un
diodo de rueda libre. En las figuras 8.21 y 8.22 se mostraron formas de onda de corriente típicas. Sin embargo, aun cuando la corriente de carga sea
continua, se compone de secciones de corrientes discontinuas de pulsos.
Para usar el lenguaje técnico correcto, a estas secciones se les llama corrientes continuas fragmento a fragmento. La corriente de carga mostrada en
estas figuras se compone de dos secciones: la corriente a través de la fuente
y carga y el conjunto del SCR y diodo en el puente, mostradas como co-
406 Control electrónico de motores eléctricos
rrientes de entrada en esas figuras, más la corriente a través del diodo de
rueda libre, combinación de carga, denotada como i F W •
Puede analizarse la primera de estas corrientes continuas fragmento a
fragmento con la ayuda de (8.30) con un valor no nulo de I(TaJ. El análisis es
semejante al descrito en parágrafos anteriores, salvo que es más complicado
por la adición del segundo término transitorio que involucra a I(Tex ). Nótese que este término debe añadirse a (8.32). El instante en el cual principia
el pulso es T ex. El que termina lo determinan la relaciones de voltaje en el circuito de carga que resultan en el diodo de rueda libre polarizado progresivamente y encendido. Con una carga estática, este instante se encuentra aproximadamente en el cruce con cero del voltaje de entrada y se denota con 1'0 en
la figura 8.21. Con carga activa, ese instante es aproximadamente TI de la figura 8.22, cuando el voltaje de entrada llega a ser menor en magnitud que
el de carga. Estos instantes se describen como aproximados, ya que pueden
alterarse algo por las características de encendido y por la caída de voltaje
del diodo y por inductancias en los diodos y SCRs y en sus conductores.
Si estas inductancias son insignificantes, (menores que un IlHy), pueden
usarse estos instantes en el análisis, como se estableció antes.
La corriente del diodo de rueda libre principia cuando termina el pulso a través del puente, suponiendo de nuevo que los efectos secundarios
mencionados arriba son insignificantes. Este segmento de corriente finaliza
cuando la fuente se aplica otra vez a la carga a través del puente, polarizado
así inversamente el diodo y apagándolo. IJurante conducción del diodo de
rueda libre, con carga estática, puede (v~escribirse la corriente en la malla
carga-diodo mediante la expresión de d'~scenso de corriente inductiva
(8.33)
donde I( To') es igual a la corriente de carga en el cruce T o con cero de la
señal de voltaje de entrada. La corriente inicial I(To ) puede calcularse de
(8.30). El instante To tiene lugar un poco después del momento en que el
pulso de corriente alcanza su valor máximo, siendo entonces di/dt igual a
cero y el voltaje a través de la inductancia de carga. En seguida, la magnitud
del pulso de corriente principia a decrecer a partir de su máximo y di/dt y
el voltaje en la inductancia se hacen negativos. Esta acción de la inductancia
de carga es la que polariza progresivamente al diodo de rueda libre y origina que principie la conducción, cuando el voltaje inductivo llega a ser lo
suficientemente grande para sobrepasar la caída de voltaje del diodo (un
V o menos). Para sistemas con una carga dinámica de voltaje Ea, el flujo
de corriente en la malla diodo-carga lo da
O=Ri+L di +E
dI
a
(8.34)
Rectificadores controlados en fase 407
La solución para la corriente puede encontrarse de (8.34) por métodos convencionales. Así,
.
-I(T)
-tIT_ R
E(l_ e -liT)
1 e
lFW-
(8.35)
donde I(T I ) es la corriente de carga en al instante en que E = V in y r=
L/R. Este instante se denota con TI en la figura 8.22.
a
La forma de la corriente de rueda libre es exponencial, como indican
(8.33) y (8.35). Estas formas se aproximan frecuentemente por segmentos
de rectas con pendientes negativas. Esto es particularmente cierto en el caso de carga activa, que es de interés en la discusión de cargas de motor con
conmutador en c.c. En muchos circuitos de esta naturaleza, la resistencia
de carga puede ingnorarse y (8.34) se convierte en
O=L di +E
dt
a
(8.36)
cuya solución es
(8.37)
De este modo, cuando la resistencia de carga de una carga activa es insignificante, la corriente de carga se representa ciertamente por una línea recta
con pendiente negativa. Esta suposición se usa con frecuencia en el análisis
de motores con conmutador en c.c. Las formas de onda de las figuras 8.22
y 8.23 Y el párrafo 6 de la tabla 8.1 se basan en este supuesto. Es también
práctica común aproximar la parte creciente de la corriente de carga (el
segmento durante el cual se aplica el voltaje de la fuente) por una línea recta. Esto conduce a la forma de onda en zig-zag mostrada en el párrafo 5 de
la tabla 8.1, que se usa comúmente para carga de motor con diodo derueda libre. Las aproximaciones mediante segmentos de línea recta son especialmente convenientes para calcular valores promedio y eficaces de corrientes
de carga y son lo suficientemente exaétos para múltiples propósitos.
Esta discusión de. formas de pulso de corriente, períodos y valores promedios y eficaces se basó en un sistema rectificador controlado en fase,
pero se aplica a muchas otras situaciones en control de motores. Con frecuencia se hará referencia a estas relaciones al discutir otros tipos de control de motores.
Ejemplo 8.10
Un motor con conmutador en C.C., se controla mediante un rectificador controlado de puente de onda completa, monofásico (figura 8.22) energizado
408 Control electrónico de motores eléctricos
con una fuente de potencia de 120 V, 60 Hz. El motor tiene una resistencia
de armadura de 0.1 Ohm y una inductancia de armadura de 1 mHy. La armadura está en paralelo con un diodo de rueda libre. El motor opera a una
velocidad constante, de tal suerte que la fcem de armadura es de 60 V. En
un cierto instante, cuando un SeR se enciende (Tex. = 0.006 seg) la corriente de armadura es de 80 A. Determinar
a) El valor de la corriente de armadura para el tiempo TI cuando co-
mienza la corriente de rueda libre y se apaga el SeR.
b) La corriente al finalizar el segmento de corriente de rueda libre.
Vm para una fuente de 120 V. rcm es169.7 V; Z=yO.1 2 +(377X.OOl f =
0.39 L 75.2°. </>=75.2° = 1.3125 rad; VmsenwTI =60; wT I = '17-60jI69.7=
2.786=; wT,,377xO.OO3=1.l31 rad; T o=(lj2)(lj60)=0.OO833 s; wTo = '17;
r=O.OOljO.1 =0.01 s. i(Ti)
De (8.30),
i(T I )
=
1690~3~60 {sen(2.786-1.3125) -exp [ - (0.OO8¿.~tOO3 ) ]sen 1.131-1.3125) }
+ 80 exp [ - ( 0.OO8¿.~tOO3 ) ]
= 281.3 [0.995 - 0.586( - 0.1805) ] + 80 X 0.586
(a)
= 356 A al término del primer segmento.
El segmento de rueda libre continúa hasta que se encienda el siguiente SeR, lo que tiene lugar T ex. seg después del cruce por cero del voltaje de
entrada. Por lo tanto, la corriente de rueda libre para T ex. seg es, de (8.35),
iFW (TJ=356ex p (
-O~;) - g.~
=264-155.5= 108.5 A
[I-exp( - 00~; )]
(b)
Ejemplo 8.11
La figura 8.26 ilustra una corriente de carga en régimen estacionario en
una armadura de motor en paralelo con un diodo de rueda libre. Se utiliza-
Controladores de supresor 409
150
100
0.002
_t
0.006
FIGURA 8.26 Aproximaciones por línea recta de corriente de motor con
control de supresor y diodo de rueda libre.
ron aproximaciones de línea recta para la corriente y se muestran valores
máximo y mínimo. Determinar los valores promedios, eficaces, de carga y
de diodo de rueda libre de las corrientes.
La razón de corriente mínima a máxima en esta forma de onda es
100/150 = 2/3. La corriente de entrada puede calcularse del párrafo 6 de
la tabla 8.1:
1
rcm
J
Prom
=150
1(0.002)(1+1+~)
=726A
3 0.006
3 9
.
1)
= 150(1)( 0.002 )(1 +
=41.7 A
2 0.006
3
La corriente de diodo de rueda libre puede obtenerse de este mismo párrafo:
• 1rcm= ISO
J
prom
1)
= 150(1)(
2 0.004
0.006 )(1 + 3 =833
. A
La corriente de carga se encuentra del párrafo 5 de la tabla 8.1:
8.8 CONTROLADORES DE SUPRESOR
El principal controlador de motor con conmutador en C.C., para aplicaciones de control se conoce como controlador de supresor o supresor de vol-
410 Control electrónico de motores eléctricos
taje. Se usa ampliamente en sistemas energizados con batería, como los
propulsores de velocidad variable en carros de golf, montacargas y otros
vehículos eléctricos. El término supresor es el nombre genérico que se da
a dispositivos de control en los que se abre y cierra periódicamente un conmutador entre el voltaje de la fuente y la carga, con el objeto de variar el
voltaje de carga. Originalmente sirvió como sistema regulador de voltaje y
el dispositivo de conmutación era frecuentemente un conmutador mecánico, como el de muchos reguladores de voltaje automotrices. El mecanismo
de control de voltaje es el de variar el tiempo de aplicación de un voltaje
de magnitud constante a la carga, en lugar de variar la magnitud de un voltaje de entrada aplicado continuamente a la carga. El tiempo de aplicación
se varía "cortando" el voltaje de entrada en pulsos discretos, de donde proviene el nombre de este tipo de regulador. Los supresores de control de
motores difieren de los reguladores de voltaje principalmente en el rango
de voltaje de carga sobre el que va a mantenerse el control. Para control de
armadura de velocidad variable, este rango debe ir de cero hasta el máximo
voltaje de motor. Los supresores de control de motores se encuentran disponibles comercialmente, con SCRs y GTOs, transistores de potencia y
Darlingtons como dispositivos conmutadores de potencia.
8.8. '1 Control de la razón temporal
El control de razón temporal se refiere al control de una razón de parámetros temporales, expresada usualmente como la razón del tiempo en encendido al tiempo en apagado, o la razón del tiempo en encendido al período
de una frecuencia de pulso, que es la suma del tiempo en encendido más el
tiempo en apagado. Es a causa de la importancia de este concepto de control que se escogió escribir las fórmulas para valores eficaces y promedios
en la tabla 8.1 en términos de parámetros temporales, en vez de parámetros
angulares. En estas fórmulas, Toes el tiempo en encendido de un pulso y
T p es el período de repetición y también la suma de los tiempos en encendido y en apagado. La inspección de las fórmulas de la tabla 8.1 indica que,
para un voltaje de magnitud fija V m , la variación del valor promedio o eficaz del voltaje o corriente se alcanza controlando esta razón '1'0 /Tp • Esta
es la base del control de razón temporal. Volviendo a las discusiones sobre
controladores rectificadores controlados en fase, analizados en secciones
anteriores, se ve que operan también sobre el principio de control de razón
temporal. En estos controladores es fija la magnitud y frecuencia del voltaje
de entrada y el control se logra variando la razón del tiempo en encendido
(modificando el tiempo de encendido del SCR, T cx.) al período de repetición,
que, en este caso, lo determina la frecuencia de la señal de entrada. Dicho
de otro modo, el voltaje promedio de una carga se controla variando el tiempo de encendido del SCR en el período de medio ciclo de la frecuencia del
voltaje de entrada.
Controladores de supresor 411
Existen varias maneras de control de razón temporal en uso común
de controladores supresores prácticos.
1. Frecuencia constante, anchura de pulso variable. En este modo de control, el voltaje de entrada pasa por compuerta a una frecuencia constante
determinada por alguna señal de frecuencia fija, como un oscilador, cargando de una red R-C, de una frecuencia de línea, etc. La anchura de
pulso se determina controlando el tiempo de apagado del semiconductor de potencia, o sea el tiempo en que se inicia la conmutación del SCR.
En algunos casos, el tiempo de apagado o de conmutación se inicia en
una razón fija y el de encendido se modifica para controlar el voltaje
de carga promedio.
2. Frecuencia variable, anchura de pulso constante. En este modo, el tiempo
de encendido se controla y varía en función de una corriente promedio de
carga requerida o de una potencia preestablecida. Una vez que el semiconductor de potencia se encuentra encendido, entra en operación una
demora fija, traduciéndose en un período fijo de encendido, antes de
iniciar la conmutación.
3. Combinaciones de los dos modos anteriores.
En cualquier tipo de control de razón temporal que use SCRs, ha'! un
período fijo que sucede al pulso en encendido, durante el cual el SCR Jebe
estar apagado antes de que pueda inciarse un pulso de encendido subsecuente. Este es el parámetro t o ff de SCR descrito en la sección 8.3.2, que
determina el valor máximo de voltaje promedio que puede aplicarse a la
carga. En muchos casos, se elimina esta limitación aplicando directamente
el voltaje de entrada a la carga, sin supresión. En el caso de cargas de motor
con conmutador en c.c., puede hacerse sólo a velocidades de motor relativamente altas, que darán lugar a fuerzas contra-electromotrices suficientes
para limitar la corriente de armadura.
Las formas de onda del control de razón temporal son tan simples como es posible. En la tabla 8.1, el voltaje aplicado a la carga puede representarse por el renglón 2; la corriente de carga, sin diodo de rueda libre,
puede describirse por el 4 (la pendiente del parámetro en este diagrama -positiva o negativa -no afectará a las fórmulas para promedios y valores eficaces); el renglón 5 se aplica a la corriente en la carga con un diodo de rueda
libre y el 6 puede usarse cuando sean aplicables las aproximaciones por línea recta para corriente en el semiconductor de potencia o en el diodo de
rueda libre, con las mismas observaciones sobre la pendiente de la función,
como se estableció con anterioridad.
8.8.2 Circuitos supresores
La variedad de configuraciones de circuito que cae dentro de la clasificación de supresores es demasiado numerosa para describirse aquí, por lo
412 Control electrónico de motores eléctricos
que sólo se describirán algunos de los circuitos básicos. Se espera que estas descripciones darán al lector suficiente base para permitirle el análisis de la mayoría de los circuitos supresores. Un criterio fundamental para
clasificarlos, en su capacidad para proveer regeneración; es decir, se les clasifica en términos de flujo de potencia unilateral o bilateral. La mayor parte
de los circuitos comunes queda dentro de la primera categoría. Se ilustrarán
varios de cada uno de los tipos de circuitos.
En la figura 8.10 se muestra un circuito supresor básico con SeR, que
ya se analizó en relación con la conmutación por SeR. Se tiene ahí una
carga estática, pero es igualmente aplicable para carga activa, como una armadura de conmutador en c.c., con fcem Ea. La representación de carga estática es, desde luego, aplicable a una carga de armadura a cero velocidad,
donde R y L representan la resistencia e inductancia de armadura, respectivamente. Este circuito supresor se usa también con frecuencia para controlar
corriente de campo en motores con conmutador en c.c., excitados separadamente, en cuyo caso la carga es estática. Este circuito es unilateral y no
proveé frenado regenerativo al motor. La figura 8.27 ilustra formas de anda
de voltaje y corriente para el circuito de la figura 8.10, aplicadas para el
control de una armadura de motor con conmutador en C.C., con fcem Ea.
Se supone en esta figura una velocidad de motor constante, lo que implica
una fcem constante para un circuito de campo constante.
La figura 8.27 presupone que el sistema se encuentra en condición de
régimen estacionario, con corriente de carga igual a lo al principio de cada
período, que arranca con el encendido del SeR de potencia 8 1 • Se han usado las aproximaciones de línea recta para describir los segmentos de corriente en el SeR principal y en el diodo de rueda libre. Estas formas de onda
son representativas de cualquiera de los modos de control de razón temporal descritos en la sección 8.8.1. El tiempo en apagado mínimo de este circuito, esto es, el lapso entre Tol y T p de la figura 8.27, se determina por el
parámetro t o ff de 8 1 • Además, durante este lapso de apagado, debe completarse, el pulso de inversión a través de 8 3 (figura 8.10) lo que, en la mayoría
de los circuitos requiere un lapso mayor que el tiempo de conmutación de
8 1 • Para resumir la operación de este circuito básico supresor, se da la siguiente descripción de la secuencia de eventos durante la operación en régimen estacionario.
1. En t = O, con corriente de carga igual a lo' se aplica un pulso de
compuerta a la terminal de compuerta de 8 I , haciendo que se encienda después de un microsegundo aproximadamente. En virtud
del voltaje V in - Ea aplicado a la carga, la corriente en 8 1 Y en la
carga aumentan exponencialmente y puede aproximársele con una
línea recta con pendiente positiva, como se muestra en la figura
8.27. El capacitor se cargó previamente a un potencial un poco mayor que V in , con la placa superior positiva.
Controladores de supresor 413
O~------------------------------------------_t
Vin
r.---------....
_t
¡Jo
--+~:----+------+--I,------
t-1_O _ _ _ _
iFwt
O~------~_+-------+----------r_+_---------
Ot------~--'~---~----_+--'-----
FIGURA 8.27 Formas de onda de voltaje y corriente para el circuito supresor de la figura 8.10.
2. Después de un cierto tiempo Te (determinado por la corriente promedio requerida) se aplica un pulso de compuerta a la terminal de
compuerta de 8 2 , originando que se encienda. Por el potencial de capacitor, se polariza inversamente 8 1 , haciendo que la corriente se
transfiera casi instantánamente a la trayectoria a través de e y 8 2
(se supone que no hay inductancia en 8 I Y en sus conductores de
ánodo y cátodo). El voltaje neto aplicado a la carga es ahora la suma del voltaje de la fuente V in y el del capacitor, dando lugar a un
pulso sinusoidal de corriente a través del circuito Eb - e - 8 2 -LR, que puede describirse por las ecuaciones de la sección 8.4 para
la conmutación serie.
3. Inmediatamente después de que este pulso i 2 de corriente alcanza
su valor máximo, siendo casi cero en este momento el voltaje a través de la inductancia de carga, 8 2 se polariza inversamente e inicia
su período de conmutación. En la figura 8.27 este tiempo se denota con To .' La corriente principia a fluir en el diodo rueda libre
414 Control electrónico de motores eléctricos
aproximadamente en este mismo tiempo y C se carga con la terminal superior posit:" .....
4. Desde T hasta T p continúa la corriente de carga a través c;lel diodo de rueda libre. Además, debe invertirse la carga en C por S 3 durante este intervalo (corriente i3 en la figura 8.10).
(l
Esta descripción detallada de la operación de componentes durante la operación del supresor se da para auxiliar al lector en el análisis de otros tipos
de circuitos supresores.
El supresor de Jones l a es un circuito popular utilizado en muchos impulsores de montacargas. El circuito de potencia se muestra en la figura
8.28. La operación es la siguiente: SIse enciende por compuerta, originándose un flujo de corriente a través de SI - L 2 -carga; L 2 y L 1 están acopladas magnéticamente (ambos devanados están por lo general en el mismo
núcleo magnético). Por consiguiente, el flujo de corriente por L 2 da lugar
a una corriente proporcional a través de L 1 - e - DI' cargando a e con la
placa inferior positiva. El pulso en SI se termina encendiendo S2, que polariza inversamente a S 1 Y origina el pulso sinusoidal típico a través de la
trayectoria e - S2 - L 2 - carga. Inmediatamente después de que este pulso de corriente alcanza su valor máximo, DF w se polariza progresivamente
y principia a conducir y S" se polariza inversamente, apagándose. Durante
el siguiente período de op-eración, que se inicia con el encendido de SI' C
invierte su voltaje a través de la trayectoria e - SI - DI - L 1 , que contribuye también a la corriente de carga en L 2 • Cuando se invierte el voltaje
+
s,
FIGURA 8.28 Circuito supresor Jones.
Controladores de supresor 415
en e puede continuar el proceso de carga a través de DI por la acción de
acoplamiento de corriente de carga en L 2 hasta que DI se polariza inversamente. Cuando se apaga D 1 por esta condición de polarizado inverso y e se
carga con la placa inferior positiva, el circuito está en condición de repetir
la secuencia de eventos descrita antes. Las desventajas del circuito Jones son
el tamaño y peso de las inductancias acopladas L 1 y L 2 • Sin embargo, hasta hace poco tiempo, este circuito tenía un costo de manufactura menor
que el circuito totalmente semiconductorizado de la figura 8.10, en parte
por el uso de un capacitor de conmutación de dimensiones menores. Los
detalles de diseño del supresor de Jones pueden encontrarse en las referencias 1 y 18. En la figura 8.29 se muestra un circuito supresor en el que se
realiza conmutación serie. Este circuito emplea una cantidad mínima de dispositivos semiconductores de potencia. l 9 La conmutación del SeR único
que se requiere en este circuito (S 1 ) se hace mediante el proceso resonante
de carga de el'
Se han desarrollado varios criterios de diseño en relación con el supresor básico de la figura 8.10. Suponiendo que los tiempos de apagado de SI
y S2 sean iguales y de valor t o ff' el condensador de conmutación se relaciona con los parámetros del circuito por
e ;;;. _1_
[ 4.5 t 1
xR 7T off
(8.38)
El inductor de inversión, con la misma suposición, será
(8.39)
+
5,
D,
L,
e,
FIGURA 8.29 Supresor con conmutación serie.
416 Control electrónico de motores eléctricos
donde
V in
= voltaje aplicado al supresor
R = resistencia de carga
to ff = tiempo de apagado de los SCR.
Cuando se requiere un flujo bilateral de potencia, como en el caso de
motores de conmutador en C.C., del tipo de tracción, con frenado regenerativo, los circuitos de semiconductores de potencia, tal como se muestran en
las figuras 8.10, 8.28 Y 8.29, deben duplicarse; esto es, debe agregarse otro
supresor con polaridad inversa, en paralelo con el supresor usado para control de motores. Hay varios esquemas para reducir el número total de dispositivos de potencia necesarios para el flujo bilateral de potencia. La
referencia 21 es un ejemplo de circuitos de este tipo. En las referencias
17, 22 y 23 se dan más discusiones de regeneración usando circuitos supresores para el control de motores con conmutador en c.c.
8.9 CONTROL DE MOTORES DE C. A.
La dicusión de control de motores en las secciones anteriores se orientó
principalmente al control de motores con conmutador en c.c. Aquí se analizará el control electrónico de motores de inducción y síncronos. El motor
con conmutador en C.C., se ha usado por tradición más ampliamente en aplicaciones de velocidad variable, en virtud de la sencillez y flexibilidad de las
técnicas de control para esa clase de máquina. Con el advenimiento de los
controladores electrónicos analizados en este capítulo, se usa aún más ampliamente en aplicaciones de velocidad variable y en muchas de control
de par variable por las mismas razones. Esto es particularmente cierto para
capacidades de potencia más elevadas. Se han desarrollado muchos circuitos electrónicos útiles e interesantes para el control de velocidad variable
en motores de c.a., y muchos de ellos se han probado, encontrándose con
buenas características técnicas de operación. La meta de estos esfuerzos ha
sido sustituir la máquina con conmutador en C.C., por máquinas sin escobillas en c.a., en vista de los problemas de operación y mantenimiento
asociados con los sistemas escobilla/conmutador. No obstante, los controladores de velocidad variable para motores de c.a., son más complicados y
costosos y usan más dispositivos con semiconductores de potencia que sus
contrapartes en c.c. En términos generales, no se ha materializado la sustitución de máquinas de c.a., con control electrónico en las aplicaciones
tradicionales de velocidad variable, a pesar de muchos logros técnicos ex-
Control de motores de C.A. 417
(a)
I
"¡
/
/
I
\
~t
\
\
\
,
(b) .
FIGURA 8.30 a) Control de triac de un motor monofásico; b) Voltaje aplicado al motor.
celentes en este área. Se encuentra una excepción en la industria textil,
donde se usan actualmente motores de inducción y síncronos de reluctancia con control electrónico.
Antes de discutir los tipos mayores de control de velocidad en motores de c.a., inversores y cicloconversores, conviene observar algunos de los
diagramas usados en el control de máquinas pequeñas, principalmente en
el control de voltaje de motores de inducción monofásicos y motores universales (c.a., en serie). En motores de inducción pueden realizarse algunas
mediciones de control de velocidad bajo condiciones de carga, variando el
voltaje de entrada (ver capítulo 6). El rango de variación de velocidad
que puede obtenerse de esta manera, sin exceder la capacidad de corriente
del motor, es rara vez mayor que el 10% abajo de la velocidad síncrona.
Además, es a menudo deseable el control de voltaje cuando la fuente de
potencia tiene una regulación de voltaje pobre y, por supuesto, para el
arranque del motor de inducción. La velocidad de los motores universales
se controla principalmente por medio del voltaje de entrada, casi corno en
el motor serie con conmutador en c.c. Los medios más sencillos de control
eleCtrónico de voltaje es una variación del rectificador controlado en fase,
418 Control electrónico de motores eléctricos
en el cual la salida de voltaje del controlador es alternante. Para estas aplicaciones se usan todos los dispositivos de tres terminales enlbtados en la tabla
8.2. La figura 8.30 ilustra el uso del TRIAC para el control de fase de una
máquina de c.a., monofásica y el voltaje de entrada de motor asociado. Obsérvese que la fórmula para el voltaje eficaz dada en el renglón 7 de la tabla
8.1 se aplica también a la forma de onda del motor de c.a. La fórmula para
el voltaje promedio es también aplicable si se interpreta como promedio
de media onda.
El medio principal para controlar velocidad de los motores de inducción
tipo jaula y del síncrono es la variación de la frecuencia del voltaje aplicado.
Se excluye de esta discusión el control de la velocidad de motores de inducción de rotor devanado o de anillos colectores, para los que se emplean muchas técnicas electromecánicas y electrónicas pam variar la frecuencia en el
rotor y controlar la velocidad. El control de la frecuencia de estator en motores de inducción implica también control de voltaje de estator, con el objeto
de operar al motor a un nivel constante de excitación magnética, ya que el
flujo magnético se determina por la razón de voltaje a frecuencia, como se
indicó en el capítulo 6. Esto se realiza mediante diversas técnicas en controladores de motores de inducción, que pueden agruparse en dos clasificaciones generales: modulación de anchura de pulso y control del voltaje de
c.c., aplicado al inversor. La modulación de anchura de pulso es una forma
de control de razón temporal discutida en la sección 8.8.1, en la cual se
modifica la magnitud del voltaje aplicado al motor cambiando la razón de
tiempo en encendido/tiempo en apagado de los pulsos de voltaje de entrada. A los inversores de control de voltaje se les denomina a menudo inversores de onda cuadrada y los voltajes y corri.entes de carga pueden tener un
contenido armónico elevado. Este tipo de controladores se aplica a sistemas
energizados con fuentes de C.C., y de c.a. Con las segundas, el voltaje de C.C.,
aplicado el inversor se obtiene por lo general mediante rectificadores controlados en fase; este sistema se conoce algunas veces como un controlador
de eslabón en c.c. Con fuentes de C.C., se usa por lo común un supresor de
voltaje.
Existe una diferencia importante en los circuitos de conmutación requeridos en estos tipos de controladores de c.a. que usan SCRs y dependen
del tipo de motor que va a controlarse. Con máquinas síncronas con devanados de campo en C.C., puede realizarse la conmutación frecuentemente
usando la fem interna generada en la máquina, que requiere relativamente pocos circuitos auxiliares. Con motores de inducción y motores síncronos excitados separadamente, como los motores de reluctancia, se necesitan
circuitos de conmutación auxiliares semejantes en cierta medida a los empleados con los supresores. El tipo de circuitos de conmutación usados en
estos controladores es el rasgo distintivo principal entre los muchos circuitos inversores usados en el control de motores de c.a.
En el control de velocidad variable de motores de inducción hay una
Control de motores de C.A. 419
tercera variable que debe tomarse en cuenta en el esquema de control junto
con la frecuencia y voltaje de entrada. Se trata del deslizamiento de rotor,
diferencia entre la velocidad mecánica del rotor y la velocidad síncrona. Es
posible dejar al deslizamiento relativamente sin control y variarlo con la
carga como en los casos de frecuencia aplicada fija. Empero, esto deja abierta la posibilidad de que en algún punto de operación el deslizamiento sea
relativamente grande, dando lugar a pérdidas 1 2 R de rotor excesivas yen
otros puntos, el deslizamiento puede ser indebidamente pequeño, conduciendo a la saturación del circuito magnético del motor. El control de la
frecuencia de deslizamiento en impulsores de frecuencia variable evolucionó en Europa hace muchos años 2 4 y desde entonces se ha usado en la mayoría de los sistemas. Puede demostrarse que el control de la frecuencia de
deslizamiento se traduce en una eficiencia de motor mayor que cuando se
deja sin ese controF s . En este método, la señal que controla a la frecuencia
de entrada del motor -que se determina por el tiempo de disparo de los semiconductores de potencia- se formaconuna señal proporcional ala velocidad
mecánica, más un pequeño incremento que representa a la frecuencia de
deslizamiento (o r.p.m.). Este incremento es en realidad el control de par
del motor, pues determina el punto de operación en la característica velocidad- par del motor (ver capítulo 6).
Los motores de inducción jaula de ardilla, para aplicaciones de velocidad variable, se construyen generalmente con una resistencia de rotor muy
baja y operan así con valores de· deslizamiento relativamente bajos. La forma de la característica velocidad-par cambia relativamente poco dentro
de un amplio rango de frecuencias, permitiendo una gama vasta de control de velocidad. En frecuencias de entrada muy bajas, que se aproximan
a cero o c.c., las resistencias de estator y rotor se convierte en las impedancias dominantes en el circuito equivalente de motor. Esto requiere una
modificación a la razón V If fija necesaria en otras frecuencias; el voltaje
debe incrementarse arriba de esta razón para compensar estas caídas resistivas de voltaje. El uso de frecuencia de deslizamiento controlada permite
también una transición suave y sencilla entre la operación motor y la operación generador de la máquina de inducción. Cuando el incremento de
voltaje en la señal de control se reduce y llega a ser cero, la máquina se
encuentra en una situación sin carga con sus pérdidas mecánicas suministradas por la carga mecánica. Si el incremento se reduce aún más y se hace
negativo, se hace menester una velocidad mecánica superior a la síncrona.
La máquina se convierte entonces en regenerativa y suministra potencia al
enlace común de c.c., en las terminales de entrada del inversor. La mayoría
de los circuitos inversores son capaces de aceptar este flujo inverso de potencia debido a los circuitos para tratar la potencia reactiva de las cargas
del motor de inducción
Solamente unas pocas de las muchas configuraciones interesantes de
circuitos usados en control de motores de c.a., pueden incluirse en este ca-
420 Control electrónico de motores eléctricos
S1
+
Eb
VcL
c.,~[
S2
(a)
iLt
+
(b)
FIGURA 8.31 a) Circuito de un inversorserie; b) Formas de onda de corrien-
te y voltaje.
pítulo. Para un estudio más amplio, consultar las referencias 13,17,22 Y
24 a 31.
8.9.1 Inversores serie
El inversor serie es uno de los circuitos inversores más sencillos y utiliza una
cantidad mínima de SCRs, donde se usan éstos como semiconductores de
Control de motores de C.A. 421
::lotencia. Los inversores serie se usan principalmente en aplicaciones de fre~uencia fija 1 7 , aunque se han adaptado para utilizarse como controladores
::le velocidad variable con máquinas de inducción y de reluctancia en ciertos
tipos de aplicaciones de carga. La figura 8.31 ilustra una configuración de
inversor serie que tiene una medida de control de voltaje y de frecuencia. 1 3
Se muestran también las formas de onda de corriente y de capacitor. Se ve
que el inversor serie opera con pulsos discontinuos de corriente, que es un
resultado del uso de la conmutación serie. El tiempo de apagado mínimo
se determina por la especificación t o ff de los SCRs. Esto determina la corriente eficaz máxima para un voltaje fijo. La operación normal de la figura
8.31 es con disparo alterno de 8 1 Y 8 3 , lo que origina los pulsos senos discontinuos que se muestran. Esto puede dar lugar a la creación de un voltaje excesivo en el capacitor para cargas ligeras, como se analizó en la sección
8.5, lo que puede reducirse alternando los disparos de 8 1 y 8 3 , Cuando se
enciende S3 (con la polaridad de capacitor adecuada, desde luego) hay un
pulso de corriente a través de la batería que hace que la energía se regrese
a ésta y que se reduzca la energía almacenada en el capacitor.
La frecuencia máxima de operación de este circuito la fija la suma del
tiempo de apagado requerido para la operación segura del SCR y del período del pulso dado por la ecuación (8.12). Este último es una función de los
parámetros del circuito serie RLC, donde R incluye la resitencia equivalente de carga. La operación en frecuencias más bajas que esta máxima es posible aumentando el tiempo de apagado, lo que también reduce a la corriente
eficaz, como se ve del renglón 1 de la tabla 8.1, así como la capacidad de
carga del motor. Para cierto tipo de cargas, como las de vendaval; abanicos,
sopladores y cierta clase de bombas, es aceptable esta característica de capacidad de potencia en descenso. Este tipo de inversor se ha usado con
éxito en aplicaciones automotrices de ventiladores.
8.9.2 Inversores trifásicos
La figura 8.32 ilustra el circuito inversor puente de onda completa trifásico
que se usa comúnmente en control de motores de c.a. En esta diagrama se
muestran sólo los circuitos de potencia, pues existe casi una infinidad de
esquemas de conmutación que se han usado con este circuito, muchos de
los cuales se describen en las referencias. En la figura 8.33 se ilustran las
formas de onda de las componentes de voltaje y corriente en el inversor,
suponiendo un control de voltaje de entrada. Las formas de onda del inversor son por lo general más complicadas que las que se encuentran en
controladores de motor en C.C., y es más común el uso de las series de Fourier. La magnitud de la corriente de motor se controla regulando el voltaje
de entrada en c.c., al inversor, que en este caso la proveé el generador. La
frecuencia de la corriente de motor se determina por la cronometrización
de las señales de compuerta del SCR. Como antes se dijo, esta sincroniza-
422 Control electrónico de motores eléctricos
Inversor
Rectificador
~
R,
R2
L¡
5,
0,
52
D2
5,
°3
54
D4
S5
D5
S6
°6
R3
CF
R4
R5
R6
Generador
Motor
FIGURA 8.32 Inversor puente con control de entrada de voltaje.
ción es a menudo una función de una señal que es proporcional a la velocidad
más la frecuencia (deslizamiento) del rotor. Los diodos en antiparalelo
con los SeRs se necesitan para otorgar una trayectoria para el flujo de corrientes reactiva después de apagado el SeR. Ayudan asimismo para dar
trayectorias para el flujo inverso de potencia cuando el motor opera como generador. Hay una secuencia muy rígida de pulsos de compuerta SeR
en el inversor puente; un disparo incorrecto de un SeR, que puede acaecer
por entrada de ruido en su terminal de compuerta, es posible que encienda
los SeRs opuestos, dando lugar a un cortocircuito directo a través de las
terminales de entrada de c.c.
Un examen detenido de la figura 8.33 ayudará a comprender la operación de un inversor controlado en voltaje. En la parte superior de esta figura se ven los intervalos de frecuencia angular en radianes cuando ocurre
el paso de compuerta del SeR. La siguiente línea muestra los SeRs como
se numeraron en la figura 8.32, que se encienden por compuerta en cada
intervalo. En inversores controlados en voltaje, los SeRs deben encenderse
por compuerta durante el intervalo total de encendido de SeR, pues la corriente de ánodo no debe fluir durante el intervalo para mantener al SeR
en un estado de conducción. Este es siempre el caso con cargas inductivas
tales como motores de inducción, porque durante una porción de cada tiem-
Control de motores de C.A. 423
0r__r--r___.--r__~.~~~~_31f
Rse
disparados en
VAN
VAB
lO"
:3~wt
: I~ I
t ~----i--+---T---'----+--l--,.L------lIL---r'_O
t
O f---;---L-f--+--+---+----+---l--f----;--------
FIGURA 8.33 Formas de onda del inversor controlado en voltaje.
424 Control electrónico de motores eléctricos
po de encendido de SCR, estará fluyendo la corriente a través de uno de
los diodos antiparalelos y no por el SCR. En la secuencia de pasos por compuerta mostrada aquí. sólo dos SCR están encendidos en un instante dado.
Se ve que el intervalo durante el cual un SCR está encendido por compuerta es de 21T /3 radianes. Los tres diagramas siguientes en la figura 8'::13 ilustrán la línea neutral de carga o voltajes de fase; los tres siguientes ilustran
los voltajes línea a línea. Estos diagramas muestran formas de onda idealizadas que son válidas estrictamente sólo para una carga puramente resistiva balanceada. Esto se debe a que durante cada intervalo, una de las terminales de la carga está "flotando"; es decir, no está conectada a un SCR
que pasó por compuerta. Su potencial se determinará por la naturaleza
de la corriente de carga y no es fácil de predecir.
Las formas de onda de voltaje de la figura 8.33 se basan sobre el supuesto de que la terminal flotante está a un potencial de ± V cc /2 respecto
a las otras terminales de carga, lo que es cierto sólo para una carga resistiva
balanceada. Es una aproximación razonable para otras cargas balanceadas
además. Las magnitudes de los niveles de voltaje se indican en la figura 8.33
en los diagramas para v A n y ve A • Del renglón 1 de la tabla 8.1 (aplicable
para pulsos alternantes o cuadrados unilaterales) se ve que el valor eficaz
de los voltajes de fase es
(8.40)
Los voltajes de línea a línea pueden encontrarse de una manera semejante
como
Vcc
v=LV2
(8.41 )
El lector observará que los voltajes de fase y línea de este inversor forman
un conjunto de voltajes trifásicos balanceado; es decir, tanto los voltajes
individuales de fase como los individuales de línea se encuentran desplazados uno del otro en 21T /3 radianes y la suma instantánea de los voltajes
individuales de fase y línea es cero. La componente fundamental de corriente en la fase A se muestra en la figura 8.33 para una carga inductiva.
La secuencia de paso por compuerta de los SCR, mostrada en la figura
8.33, que tiene sólo dos SCRs en cada intervalo, es deseable desde el punto de vista de los tiempos de conmutación de los SCR. Se observa que existe
un intervalo de 1T /3 rad, que sucede a la conmutación de un SCR antes de
que se encienda por compuerta el SCR opuesto, conectado en serie a través
del voltaje de entrada de c.c. Por ejemplo, 8 5 se conmuta en 21Tj3 rad y el
SCR opuesto, 8 2 , no enciende por compuerta hasta 1T rad después. No obstante, esta secuencia se traduce en una razón baja de voltaje de fase eficaz
Control de motores de C.A. 425
a voltaje de entrada de C.C., como se vio de (8.40). Esta razón de voltaje
puede aumentarse, pero a expensas de un tiempo de conmutación reducido, mediante una secuencia de paso de compuerta tal que se enciendan tres
SCRs en cada intervalo. En esta secuencia, en una secuencia de compuerta
idealizada, sólo un SCR se encendería por compuerta en el instante en que
su opuesto se conmutara. Sin embargo, en la práctica, debe existir una demora entre estos dos eventos, para permitir una conmutación segura del
primer SCR. Esta secuencia tiende a aumentar la posibilidad de un corto
directo a través de los SCRs, en virtud de una conmutación inadecuada. Las
formas de onda del voltaje de carga son justamente inversas a las mostradas en la figura 8.33, cuando tres SCRs se encienden por compuerta. El voltaje de fase es 0.471 V ee y el de línea 0.815 V ee •
La configuración de circuito de potencia de un inversor con control
de modulación en pulsos es esencialmente igual a las de control de voltaje
variable y se usa comúnmente el circuito puente trifásico mostrado en la
figura 8.32. Sin embargo, los diagramas de compuerta de SCR difieren totalmente. En inversores modulados en fase, el voltaje de fase se compone
de una serie de pulsos de corta duración comparados con la frecuencia
fundamental. Estos pulsos son de magnitud constante y anchura variable.
La forma de onda del voltaje de salida es un tren de pulsos, cuya polaridad
se invierte periódicamente para proporcionar la frecuencia fundamental. La
tasa de repetición de tren de pulsos de salida se conoce como frecuencia
portadora fe' La razón de la frecuencia portadora a la fundamental debe
ser tan alta como sea posible a efecto de reducir al mínimo las armónicas
de carga. La modulación de anchura de pulso elimina la necesidad de un
controlador adicional de voltaje, como un rectificador controlado en fase
o el sistema rectificador-alternador mostrado en la figura 8.32.
t
Vp
o
r-
)/
-
."-
r--
...-
f---
r--
r-
ri'
"
/
1f
/ 2rr
iI
'\
,
-
::"::1=..=
-
'---
..- "
-
FIGURA 8.34 Forma de onda de salida de inversor con modulación enanchura de pulso.
426 Control electrónico de motores eléctricos
La figura 8.34 ilustra una porción de voltaje de salida de inversor controlado por modulación de anchura de pulso. Se muestra asimismo la forma
de onda sinusoidal deseada. Este período de voltaje debe compararse con
las formas de onda mostradas en la figura 8.33 para el inversor controlado
en voltaje. La variación de la anchura de pulsos que constituye cada medio período -llamada a veces "pedistales"- controla la magnitud del voltaje eficaz. Esta variación o modulación se logra en la práctica por muchas
técnicas. Una común se conoce como triangulación del método de subarmónicas, en la que el tiempo de apagado entre pulsos se determina por los
puntos de cruce de dos señales de referencia: una onda triangular de voltaje de alta frecuencia y un voltaje sinusoidal que varía con la frecuencia
fundamental. En las referencias se analizan otras técnicas. El valor mínimo
del tiempo de apagado entre pulsos, que determina a la frecuencia portadora, se determina por los tiempos de apagado del SeR.
8.9.3 Cicloconversores
El cicloconversor es un dispositivo de control utilizado en aplicaciones de
motor de velocidad variable, donde la fuente de potencia de entrada es
de c.a. Es un medio para convertir una fuente de voltaje y frecuencia fijos
a una salida con voltaje y frecuencia variables. La frecuencia de la fuente
debe ser cuando menos tres o cuatro veces la frecuencia máxima de la salida. La figura 8.35 ilustra la configuración del circuito y la forma de onda
del voltaje de salida de una fase de un conversor trifásico aplicable al control de motores polifásicos. El mecanismo de control de voltaje y frecuencia
del cicloconversor es una combinación de los principios aplicados en el
rectificador controlado en fase y en el inversor modulado en pulsos. La
frecuencia fundamental del voltaje de salida del cicloconversor se determina por el número de pulsos de la frecuencia de entrada usada en el tren de
pulsos que conforman un medio período de la frecuencia de salida. La
magnitud del voltaje de salida se determina por la porción de cada medio
ciclo de la frecuencia de entrada que existe durante el tiempo de encendido del SeR, como en el control por rectificador controlado en fase. Ambos
parámetros, voltaje y frecuencia de salida, los determina la cronometrización de los pulsos de compuerta de los SeRs, en la figura 8.35. La conmutación de SeR se hace por la de línea; que es la polarización inversa que
resulta de la polaridad de inversión del voltaje de entrada, como en el rectificador controlado en fase.
De la figura 8.35 se ve que se necesita una cantidad muy grande de
dispositivos semiconductores de potencia para el control de un motor polifásico, pues esta figura muestra sólo una fase de un sistema de control de
ese tipo. El cicloconvers.or requiere efectivamente mayor cantidad de semiconductores de potencia que los inversores de capacidad de potencia
equivalente. Si se comparan los ciclo conversores con los inversores, pro-
Bibliografía 427
-l.L
~
l
lL
-~
l
f-
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lL
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1
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1
Vout
(a)
V
out
t
O~~------------~~;~.-------------~-------~Wl
(b)
FIGURA 8.35 a) Sección monofásica de cicloconversor; b) Forma de onda
de voltaje de salida.
cede comparar el paso, costo y dimensión relativos del uso de muchos
semiconductores de potencia, de capacidad de corriente relativamente baja, con el uso de unos pocos semiconductores de potencia de capacidad
elevada de corriente. En las referencias. 22,32, y 33 se encuentran análisis
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Problemas
8.1
8.2
Para las tres primeras formas de onda de la tabla 8.1, determinar el factor dé forma que es la razón del valor eficaz al promedio si To =1/2Tp '
Una onda cuadrada de corrientes verdadera rara vez se logra, por las inductancias
del circuito. Las ondas son más bien trapezoidales, auque a menudo se aproximan
por pulsos cuadrados. Supóngase que la forma de onda de la tabla 8.1, renglón 2,
i
--_t
FIGURA 8.36 Problema 8.2.
430 Control electrónico de motores eléctricos
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7
8.8
se forma con pulsos trapezoidales en vez de los cuadrados que se muestran. La
onda se traza en la figura 8.36. Establecer las expresiones para
a) la corriente eficaz Ircm
b) la corriente promedio en el tiempo I pro m'
Determinar la magnitud y fase de los primeros cinco términos de la representa·
ción en serie de Fourier de la tabla 8.1, renglón 4.
Supóngase que una corriente de magnitud pico I m = lOA Y forma de onda de la
tabla 8.1, renglón 4 fluye por un resitor de 1 Ohm. Determinar la pérdida óhmi·
ca en el resistor por medio de las ecuaciones de la tabla 8.1 y comparar el valor
calculado con el determinado por las componentes de Fourier establecidas en el
problema 8.3.
Un reactor saturable se usa en un circuito en el que el voltaje lo forman los pul·
sos cuadrados unidireccionales de la forma mostrada en el renglón 2, tabla 8.1,
con V m = 50 V, To = 1000 /1 seg y f = lITp = 3200 Hz. El reactor saturable tie·
ne un núcleo toroidal (entrehierro de aire nulo) de material 48NI (figura 2.4).
El núcleo se satura en una polaridad por cada pulso de la onda cuadrada que se
aplica.
Supóngase que se dispone de una fuente de 50 V para reestablecer al núcleo
a la polaridad opuesta. Diseñar una bobina que sea capaz de reestabler (en la po·
laridad opuesta) en núcleo dentro del tiempo permisible (Tp -To ) para la forma
de onda aplicada del renglón 2, tabla 8.1 con la fuente de 50 V.
En la figura 8.9, sean Eb = 100V, C = 120 pP, L = 200/1 Hz, R =0.05
Determinar Zo' (X y {3, suponiendo que Veo =I 1 O = O, Bajo estas condiciones, encontrar la carga en el condensador que sucede al pulso de corriepte seno después de
que se dispara SI' Calcular la corriente pico del pulso seno yla anchura del pulso.
Determinar la tasa máxima de elevación de corriente en SI del problema 8.6, siS!
se cierra sobre el circuito estático R-L.
La carga de la figura 8.9 va a operarse con la batería de 100 V del problema 8.6,
con una frecuencia de pulsos de 1000 Hz.
a) Calcular Le para invertir al capacitor C en el tiempo requerido (C 120 /1F),
sin considerar la resistencia del circuito inversor.
b) Determinar el voltaje en régimen estacionario Veo para operación continua del
circuito (c. 8.1Sa).
En el circuito de la figura 8.20, R = 1.0 n, L = 2.0 m Hy, y se aplica un voltaje
de 120 V, 400 Hz. Calcular las corrientes eficaz y promedio en el tiempo si T(X=
20% de T oRepetir el problema 8.9 para el circuito de la figura 8.21.
Repetir el problema 8.9 para el circuito de la figura 8.22, despreciando las impedancias del diodo de rueda libre.
Un motor de c.c., 120 V, 50A va a controlarse con una fuente de 120 V, 60 Hz.
Determinar la capacidad de los SCRs que va a usarse en un rectificador controlado en fase en puente monofácico, para esta aplicación. La capacidad debe incluir
corrientes eficaz y promedio, así como el PRV.
Un motor con conmutador en c.c., excitado separadamente, va a operarse a velocidad y par variables. En velocidades abajo de 3000 rmp, se controla el par mediante un supresor de armadura de una batería de 120 V. La batería tiene una
resistencia interna de 0.09 Ohms; la resistencia de armadura es de 0.025 Ohms
y la inductancia de armadura es de 0.5 mhy. La constante de motor es 0.028
n..
=
8.9
8.10
8.11
8.12
8.13
Problemas 431
8.14
8.15
8.17
8.18
V-stA (ver ecuaciones 5.49 y 5.50). La corriente de campo máximo es de 10 A
Y el par de motor máximo es 71 Nw-m (especificación de 1 minuto), con Ir =
10 A. Va a emplearse un supresor del tipo mostrado en la figura 8.10 para controlar el par entre O y 71 Nw-m en el rango de velocidad de O a 3000 rmp.
a) Supóngase que SI va a encenderse en una razón constante y que la corriente
de armadura promedio va a controlarse regulando el tiempo de encendido del
pulso de corriente. Va a usarse un diodo de rueda libre. Seleccionar una frecuencia de pulsos (500 Hz es un buen punto de partida) y determinar el rango
de anchura de pulso en tiempo de encendido para variar la corriente de armadura de 10 a 250 A en 3000 rpm.
b) Repetir a) en 1000 rpm.
e) Repetir a) en cero rpm. ¿Se presentan problemas manteniendo la corriente
dentro de 250 A promedio con su selección original de frecuencia de pulsos?
¿Sería útil una inductancia adicional de circuito de armadura en repaso?
Especificar un SCR para usarlo como SI en el problema 8.13. La especificación
debe incluir Irem. I prom valor de voltaje inverso y progresivo, di/dt y dvldt reaplicada.
Si se tiene acceso a facilidades para diseñar modelos en computadoras analógica
o digital, preparar uno para el sistema de control supresor del problema 8.13 y
evaluar el sistema para ver si SI opera siempre dentro de las especificaciones del
problema 8.14. En su modelo, SI, S2, S3 y D FW pueden sup(;merse circuitos
abiertos al estar apagados; al conducir, el modelo para los cuatro dispositivos debe ser una inductancia de 1 J1 Hy aproximadamente y una caída de voltaje resistiva de alrededor de 1.5 V para los SCRs y de 1 V para el diodo.
Un motor de inducción monofásico se especifica a 1/4 hp, 60 Hz, 1750 rpm y
120 V. Cuando opera en su condición nominal, la corriente de entrada es de
4.5 A. Al arrancar, se saca un pico de corriente de 8 A cuando el motor se conecta directamente a través de una fuente de 120 V, 60 Hz.
Este motor se va a usar en una aplicación que requiere un cierto grado de
control de velocidad. Va a utilizarse un controlador TRIAC para este propósito, con control de velocidad obtenido al variar el voltaje aplicado al motor, de
acuerdo con el método de control en fase mostrado en la figura 8.30b.
a) Supóngase que el par máximo (tracción exterior) de este motor sea de 1.5
veces el de régimen, con una corriente 1.2 veces la especificada y que el controlador TRIAC sea capaz de suministrar este par máximo con el voltaje de régimen aplicado al motor (T01. mínimo en la figura 8.30). Especificar el PRV
del TRIAC, las corrientes eficaz y promedio y el toff'
b) ¿Qué demora mínima debería tenerse para la condición de par máximo en a)?
e) ¿Cuál es la corriente eficaz de motor en esta condición?
d) ¿Cuáles son las ventajas del control TRIAC durante el arranque del motor yen
condiciones de bloque del rotor?
Una pulidora portátil usa una batería de 24 V Y un motor de inducción monofásico especificado en 1/8 hp. La salida de potencia requerida para el pulido es relativamente constante, aunque se considera necesario una pequeña cantidad de
control de voltaje en el motor de inducción. El motor va a controlarse mediante
un circuito inversor SCR monofásico (figura 8.31). La impedancia equivalente del
motor en su condición de corrida normal, vista desde las terminales del motor,
es R = 0.62 n y L = 0.36 m Hy. La frecuencia de entrada va ser de 400 Hz. Para
432 Control electrónico de motores eléctricos
1/8 hp, el motor requiere una corriente eficaz de entrada de 22 A Y una de rotor
de 15 A.
a) Determinar las dimensiones y capacidades de 8 10 8 2 Y e para este uso, despreciando las resistencias e inductancias de batería, conductores y dispositivos.
b) ¿Será excesivo el voltaje en C para 1/8 hp'? (ver ecuación 8.1Sa). Es conveniente el uso de 8 3 para limitar el voltaje de circuito y para obtener control de velocidad?
8.19 Como una alternativa en el uso del inversor en el motor de inducción en la aplicación de pulidora potátil descrita en el problema 8.18, se propone un sistema
de motor serie (universal) y supresor. El motor serie de 1/8 hp que va a evaluarse
corre a 5000 rpm, 8.6 A, con una fuente de 24 V C.c., y 60 Hz.
a) Esta impedancia de motor se evaluó con prueba de rotor bloqueado, dando los
siguientes datos experimentales: 8.7 A, 98 W, 16.7 V 60 Hz. El voltaje a través
de las terminales de armadura fue de 2.7 V; a través de las de campo, 14 V; la
resistencia de devanado de campo en 20° e fue de 0.232 Ohms y la de armadura 0.196 en 20° C. Calcular las inductancias de la armadura con rotor bloqueado y del campo.
b) Diseñar un supresor transistorizado de potencia para impulsar este motor en
sus condiciones nominales con una batería de 24 V, sin considerar las resistencias e inductancias del circuito, como en el problema 8.19. Especificar los
parámetros de transistor: le. h FE (mínimo), V CE (sat)'Pr y f R (típ).
e) Comparar el sistema motor serie-supresor con el sistema motor de inducciónsupresor en términos de facilidad relativa de control de velocidad y regulación de velocidad.
Capítulo 9
Teoría general de
las máquinas
eléctricas
En los capítulos precedentes se consideró cada máquina como una entidad separada, enfatizando principalmente el comportamiento en estado
de régimen de las máquinas rotatorias. Sin embargo se recordará que para
los sistemas electromecánicos (capítulo 4), se formularon y resolvieron las
ecuaciones dinámicas de movimiento bajo ciertas restricciones. También
es aplicable un concepto semejante a las máquinas rotatorias, de donde,
en las siguientes secciones se discutirá este enfoque; aquÍ se tratará de presentar diversos métodos generales, aplicables a gran variedad de máquinas
rotatorias. De hecho, la teoría generalizada de las máquinas ha alcanzado
un desarrollo tal, que puede utilizarse para analizar casi dos docenas de tipos diferentes de máquinas rotatorias. El análisis a continuación se circunscribe a las máquinas que posean las tres siguientes estructuras magnéticas
básicas:
1. Máquina con protuberancia en el estator.
2. Máquina sin protuberancia en el estator o en el rotor.
3. Máquina con protuberancia en el rotor.
Como ejemplos de 1, 2 Y 3 se tienen, respectivamente, las máquinas con
conmutador en c.c., las de inducción y las síncronas con polos salientes,
todas máquinas ya bien conocidas.
Las teoría generalizada de las máquinas puede usarse como un punto
de partida importante para nuevos problemas, además de que proporciona
un método sistemático para resolver problemas rutinanos. Antes de entrar
en detalles, se analizarán la índole del problema y los objetivos de desarrollar una teoría general.
433
434 Teoría general de máquinas eléctricas
9.1 OBJETIVOS Y NATURALEZA DEL PROBLEMA
Como se mencionó antes, el objetivo de desarrollar una teoría general es
obtener un método analítico aplicable a la mayor parte de las máquinas
que operan en estado de régimen o transitorias. En principio, este objetivo puede lograrse si 1) se conocen los parámetros de las ecuaciones de
movimiento y 2) se resuelven estas ecuaciones para determinados condiciones de operación. Se recordará que en el capítulo 4, las ecuaciones generales
de movimiento para un sistema electromecánico son, en notación matricial,
v= ~(Li)+ri
dt
T =
e
_!¡
~ [LJi
2 'dO
(9.1)
(9.2)
Estas ecuaciones se aplican también a las máquinas eléctricas; por lo que el
ptoblema se reduce a:
1. Determinar las matrices de inductancia y resistencia L y r, respectivamente, de la máquina.
2. Especificar las condiciones terminales, com0 voltaje v o corriente i.
3. Resolver (9.1) y (9.2), indicando si se desean soluciones dinámicas o de
estado de régimen.
En las secciones subsecuentes se estudiarán los detalles para desarrollar estos pasos; aquí sólo se describen brevemente los métodos. En primer lugar,
para determinar las resistencias, deben conocerse las dimensiones del condl,lctor (longitud y sección transversal) y su resistividad. Si es necesario, se
deben aplicar correcciones de temperatura.
Las inductancias pueden determinarse mediante las ecuaciones que las
definen como eslabonamiento de flujo por unidad de corriente; es decir,
(9.3)
donde Ap q es el eslabonamiento de flujo con una bobina, por ejemplo (p),
atribuible a una corriente iq en otra bobina (q) y Lpq es la inductancia entre las bobinas p y q.
También es posible obtener las inductancias por el método de la energía almacenada, donde la energía almacenada en los circuitos inductivos
(por lo general acoplados mutuamente) se iguala a la energía almacenada en
el campo magnético; esto es,
Objetivos y naturaleza del problema 435
(9.4)
En la próxima sección se explican las aplicaciones de ambos métodos
(9.3) y (9.4). Después de determinar los parámetros, el siguiente paso, aunque difícil, es obtener soluciones para las ecuaciones de movimiento. Al
realizar este paso, se aprecia la utilidad de la teoría general. El método para
resolver estas ecuaciones es el de la "fuerza bruta", básicamente de integración numérica; este método se denomina formulación del dominio del
tiempo o método de variables de estado y se discutirá más adelante. El segundo y más común de los métodos, es el de la transformación, donde las
ecuaciones se resuelven haciendo un cambio de variables. Con este propósito se reescribe la ecuación (9.1) como
v=Zi
(9.5)
donde Z = Z (p) = pL + r, con frecuencia se le llama impedancia operacional. Ahora, se procede a hacer el cambio de variables de tal suerte que
v=Sv'
(9.6)
y
i=Si'
donde las magnitudes primas son las nuevas variables, relacionadas con las
anteriores (sin acentos) mediante una matriz S de transformación. La sustitución de la ecuación (9.6) en la (9.5) da
Sv'=ZSi'
(9.7)
Puede escogerse S, de tal suerte que sea no singular (es decir, que exista su
inversa) y entonces premultiplicar los dos miembros de la ecuación (9.7)
por S -1 Y obtener
v' = (S -IZS)i' = Z'i'
(9.8)
Obsérvese que la ecuación (9.8) es una forma alterna de la (9.5); se recordará que es difícil obtener la solución de la ecuación (9.5), en virtud de
que sus coeficientes son funciones del tiempo (o de 8). Para superar esta
dificultad, se puede seleccionar la matriz de transformación S, de tal forma que se elimine la dependencia de 8 en las ecuaciones de movimiento,
así la ecuación podrá resolverse directamente. Más tarde se insistirá en este
método; de momento, sólo se señala que existen muchas transformaciones
436 Teoría general de máquinas eléctricas
aplicables a las ecuaciones de diversas máquinas eléctricas. Las tres usadas
comúnmente son:
.
1. transformación de componente simétrica (o de ±);
2. transformación progresiva o regresiva (o fb)
3. transformación dq.
La última muestra una equivalencia entre una máquina eléctrica real y una
hipotética (o transformada) que tiene devanados sólo a lo largo de dos ejes
perpendiculares entre sí, llamados eje directo d y de cuadratura q. Con
ciertas limitaciones, la mayoría de las máquinas pueden "expresarse" como
máquinas transformadas con devanados sólo a lo largo de los ejes anteriores. inversamente, si se parte de una máquina que tenga únicamente devanados a lo largo de esos dos ejes, es posible "construir" (o simular) muchos
tipos de máquinas convencionales. Este proceso ha sido la clave para obtener la teoría generalizada de las máquinas. A una máquina con bobina a lo
largo de los ejes d y q (con escobillas y conmutador adecuados) se le denomina "máquina primitiva". Así, a partir de la máquina primitiva, pueden
derivarse muchos tipos de máquinas reales. Este aspecto se discutirá más
adelante, en la siguiente sección se determinarán en primer lugar las inductancias de máquina.
9.2 DETERMINACION DE LAS INDUCTANCIAS DE MAQUINA
En los capítulos anteriores se observó que, según la topología del circuito
magnético, una máquina eléctrica puede ser 1) una máquina con rotor cilíndrico, por ejemplo, una de inducción y una síncrona de rotor redondo
o bien 2), un máquina con polo saliente, donde la protuberancia puede localizarse en el estator, como en una de C.C., o en el rotor, como en una síncrona de polo saliente. Supóngase que la máquina tiene densidades de flujo
y devanados distribuidos sinusoidalmente, suposición que simplifica los
aspectos algebraicos y destaca los principios. Sin embargo, se pueden tomar en cuenta distribuciones de devanado y de densidad de flujo no
sinusiodales, incluso los términos armónicos de las representaciones correspondientes en las series de Fourier. 1 En vista de que los devanados concentrados y distribuidos difieren sólo en despliegue físico y no en principio
de operación, se considerará únicamente como modelo representativo al
concentrado, ante todo porque un devanado distribuido es magnéticamente equivalente a uno concentrado con N vueltas, si N = 2Z, donde Z es el
número de conductores/radián en serie del distribuido.
9.2.1 Inductancias de una máquina con rotor redondo
En la figura 9.1a se muestra una máquina con entrehierro uniforme (de rotor redondo). Se supone que el estator tiene un devanado concentrado de
Determinación de /as inductancias de máquina 437
g«
r
N'¡'
~I
(a)
F
(F' + F')
I
/
I
""'\
\
F' F' \
\
(h)
FIGURA 9.1 a) Máquina de entrehierro uniforme con dos bobinas; b) Las
fmms de las bobinas.
NS vueltas y el rotor uno también concentrado de Nr vueltas. Además, se
supondrá que JLh
/-lo' r » g (figura 9.1a) y que Hr » H 8. Las com-
»
ponentes fundamentales de las fmms de estator y rotor son, respectivamente,
(9.9)
como se ilustra en la figura 9.1a y b donde Ks y K r son factores de devanado, (ver el capítulo 6). Obsérvese que es una posición arbitraria alrededor
de la periferia en el entrehierro y es el desplazamiento entre F" y Fr. Las
inductancias propia y mutua se determinarán por el método del almacenamiento de energía, de la forma siguiente.
e
e
438 Teoría general de máquinas eléctricas
Considérese un área elemental
(en la dirección - r), luego:
~s,
a través de la cual pasa un flujo
~<P
(9.10)
La permeancia de esta trayectoria de flujo es
!.ls
!.lP= t"'o
lig
(9.11 )
Si Ni es la fuerza magneto motriz resultante, el flujo
tonces también como
~<P
se obtiene en-
!.l</> = N¡!.lP = t"'0
11 N¡ !.ls
g
(9.12)
Al igual la ecuación (9.10) con la (9.13) se tendrá
(9.13)
También se podría verificar la ecuación (9.13) por el hecho de que la caída de fmm N. se tiene sólo a través del entrehierro g, siendo J.lh mucho mayor a /10' En' seguida Ni se determina por la adición fasor de las fmms de
estator y rotor, de donde, el valor máximfj de la fmm resultante es
(Ni)2= (k SN S¡s)2 + (k'N'¡' l
+ 2k Sk'NW'¡S¡'senOo
(9.14)
En las ecuaciones (9.13) y (9.14) se observa que el valor máximo de H r ,
cuando el devanado de rotor está desplazado por () o del estator, es tal que
(H')~áX = ~ [ (k SN S¡s)2 + (k'N,¡,)2 + 2k sk'N SN'¡S¡'senf)0]
(9.15)
g
y Hr varía sinusoidalmente con (). El valor promedio de (Hr)2 es simplemente [(Hr)2 máx ] /2 y la energía magnética Wm almacenada en el entrehierro es
Wm =
2
¡1 /lo(H,)máx(volumen
de entrehierro) =
llo7Trlg
2
-2-(H,)máx
(9.16)
Según las inductancias, la misma energía puede expresarse como
(9.17)
Determinación de las inductancias de máquina 439
Pero las ecuaciones (9.15) y (9.16) dan
Al comparar las ecuaciones (9.17) y (9.18) se obtienen las inductancias
buscadas como
(9.l9a)
11.
7Trl
Lrr= _r_o_(k rN r )2= L'
(9.l9b)
g
/Lo 7Trl
g
L sr = --kskrNSNrsen(} = LS"sen(}
o
o
(9.l9c)
Hasta aquí, se ha tomado en cuenta un sólo devanado en el estator y
uno en el rotor; en una máquina de dos fases, se tienen dos devanados en
cada miembro. Los dos del estator son idénticos y mutuamente perpendiculares, por lo que están desacoplados magnéticamente. Lo mismo sucede
con los del rotor, como se muestra en la figura 9.2. En este caso, las inductancias de estator y rotor, expresadas como matrices, son
y
t]
(9.20)
Las inductancias mutuas estator-a-rotor se pueden obtener de la ecuación
(9.19). Así,
Lab
sr ]
_ [
sr L bb
L sr cos ()o
L sr sen(}
O
- LsrsenOo ]
L sr cos(}o
(9.21)
En la ecuación (9.21), los subíndices en las letras L corresponden a las fases
(a y b) Y los índices superiores se usan para denotar estator o rotor (8 o r).
Así, por ejemplo, L~rb es la inductancia mutua entre la fase a del estator
y la b del rotor. Los elementos de la matriz en la ecuación (9.21) se obtienen de la ecuación (9.19c), haciendo 0 0 = (90 - O) para V&a, 0= 90 + O
para L sr ab y así sucesivamente. La matriz total L para la máquina de dos
fases es, por lo tanto,
(9.22)
440 Teoría general de máquinas eléctricas
</J'a
a'
a
Eje de la
--~--~.,r-+-----~~----~~~-----­
fase b
Rotor
Eje de la
fase a
FIGURA 9.2 Máquina con rotor redondo de dos fases.
donde las submatrices las dan las ecuaciones (9.20) y (9.21) Y US es la
transpuesta de V r •
9.2.2. Inductancias de máquina con protuberancias
En la figura 9.3 se muestra una máquina de dos fases con salientes en el rotor. Si se suponen una distribución sinusoidal de densidad flujo y se consideran sólo las componentes fundamentales de las fmms, se usará el método
del eslabonamiento de flujo para encontrar las inductancias de máquina. El
rotor tiene sólo un devanado y la matriz L de la máquina puede escribirse
como
(9.23)
cuya nomenclatura se explicó ya en la última sección. Se analizará en primer lugar la inductancia propia del rotor, que no depende de la posición
de éste. Por consiguiente
p.oN/A¡
L:: = L¡= -----=--'- una constante
gd
(9.24)
Determinación de las inductancias de mquinas 441
Eje de la
fase b
Ejed
'<:_b
Estator
O
b
dela
fase
a
Rotor
FIGURA 9.3 Máquina con rotor saliente de dos fases.
donde N f es el número de vueltas en el devanado de rotor, Af es el área rotor-polo y gd es el entrehierro en el eje directo. Las inductanclas mutuas
entre los devanados de rotor y estator pueden obtenerse mediante los métodos expuestos en la última sección.
Sin repetir, se puede escribir lo siguiente:
L;; = L;; = L sr cosO
Lb; = L;b = - L srsenO
(9.25)
Para encontrar las inductanCÍas propia y mutua de estator, tomar la
fmm Fs a = k sNs is a' que resulta de la fase a y determinar a lo largo de los
ejes d y q (figura 9.3), para obtener
Fda = F; cosO = kW S¡; cosO
(9.26)
Si se definen P d Y P q como permeancias a lo largo de los ejes d y g, respectivamente, los flujos en el entrehierro se pueden expresar como
(9.27)
442 Teoría general de máquinas eléctricas
El flujo que eslabona con la fase a, proveniente de la corrientei: ' es
(9.28)
Al combinar las ecuaciones de la (9.26) a la (9.28) se obtiene
(9.29)
o sea
(9.30)
dondeLs =+(kSNs)2 (Pd + Pq) y L~ =-{-(KSNS) (Pd -Pq). Sustituyendo
e = e + rr/2 en la ecuación (9.30) resulta
Lt,b = L s - Ló cos20
(9.31)
Para determinar las inductancias mutuas, recuérdese que
"A ss
ss = -E!!..
Lss=L
ab
ba
¡;
(9.32)
s
El flujo "sb
que eslabona con la fase b, que resulta de la corriente isa en la
a
fase a, se encuentra en la ecuación (9.27) y (9.28), haciendo e = e + rr/2,
de tal suerte que
"A;t= kSN S[<PdaCOS(O+
-<P:asen( 0+
(9.33)
Í)
Í)]
Si se sustituyen las ecuaciones (9.26) y (9.27) en la (9.32) se tendrá
"A;t = (kSN S)2¡;[ PdcosOcos( 0+ ;) + PqSeIlOSe~ 0+
Í) ]
la que, al sustituirse en la ecuación (9.32) y al simplificarse, conduce a
(9.34)
donde L'b se ha definido junto con la ecuación (9.30).
En notación matricial, la matriz L de una máquina eon rotor saliente
de dos polos es
L s+ Los cos20
L=
_-
r
_Lris=n!~
L sr coso
__
- Lossen20
~ s___Lri ~o~2~
- L srseno
: L sr cosO
L~ ~ s:~~n~
¡ L¡
1
(9.35)
Determinación de las inductancias de máquina 443
La tercera clase de topología magnética en máquinas eléctricas es la
de protuberancia en el estator, como en una máquina de c.c. Una máquina
de este tipo, con dos polos y una bobina de paso completo en el rotor, se
ilustra en la figura 9.4a. La figura 9.4b muestra la distribución de fmm de
estator y la componente fundamental de la distribución de densidad de flujo en el entrehierro. La componente fundamental de la distribución de
densidad de flujo, se encuentra mediante el análisis de Fourier, (que relaciona a B entre H, con la fmm) como
4/L
B( O) = _o NS¡S casacas O
(9.36)
'lTg
El flujo que eslabona con la bobina de rotor es, por lo tanto
(9.37)
Al sustituir la ecuación (9.36) en (9.37) y simplificar se obtiene
Ar= 2N r¡r¡s( 4/Lo NScosa)coso
'lTg
o
(938)
de donde se determina la inductancia mutua estator a rotor:
Ar
8/L
L sr = --:= _o IrNsNrcosacosO =L cosO
IS
'lTg
o
m
o
(9.39)
=::0
Aquí Lm
IrNsNr cos ~ ; ~ y r se definen en la figura 9.4; 1 es la longitud axial de la máquina; g es el entrehierro y Ns y Nr son el número de
vueltas en el estator y rotor, respectivamente.
La autoinductancia del rotor es una cantidad que depende de () o'
mientras que la del estator es una constante y puede denotarse como Lf' La
autoinductancia del rotor puede calcularse mediante un procedimiento semejante al de la máquina de rotor saliente, que ya se discutió, pór lo que
los detalles de su cálculo quedan como ejercicio. Como resultado final, la
autoinductancia del rotor es
(9.40)
Por último, la autoinductancia del estator es una constante independiente de la posición del rotor, es decir,
Lss=(NS)2/Lo As =Ls
gd
(9.41)
444 Teoría general de máquinas eléctricas
Eje q
I
Eje del
rotor
s
N
Eje q
Eje d
I
I
Eje d
Ejeq
I
I
N
•
Nr
(a)
FoB
()
(b)
FIGURA 9.4 a) Máquina de rotor saliente con dos polos; b) Componente
fundamental de B(O).
donde As es el área de la cara del polo del estator y gd es el entrehierro total en el eje d.
La matriz-L para la máquina con saliente en el estator será entonces
(9.42)
Máquina con protuberancia en el estator 445
Ahora, ya se tienen las matrices-L para las tres formas básicas de las
máquinas eléctricas. Estas inductancias pueden sustituirse en las ecuaciones de movimiento para obtener las características de máquina, como se
verá más adelante.
9.3 MAQUINA CON PROTUBERANCIA EN EL ESTATOR
La ecuación de balance de voltaje puede escribirse en forma matricial como
v=ri + p(Li)
donde p
(9.43)
= ~Desarrollando el último término de la ecuación (9.43), se tiene
dt
p(Li)=Lpi+(pL)i=Lpi+
d~
Lwmi
o
(9.44)
=(Lp+wmG)i
donde
Wm
deo
dt
dL
=- - -= velocidad mecánica del rotor = G = -
deo
La sustitución de la ecuación (9.44) en la (9.43) da
v= (r+ Lp +wmG)i
(9.45)
El último término de la ecuación (9.45) proviene de la rotación y algunas
veces se le llama voltaje rotacional.
En seguida, considerando la ecuación de torque, se tiene
T
e
I,:,
= -1
2
[
aL]" 1':'G"1
aoo 1= -1
2
-
(9.46)
De esta manera, las ecuaciones (9.45) y (9.46) son las ecuaciones generales
de movimiento para una máquina con protuberancia en el estator.
A fin de obtener las ecuaciones de movimientos de una máquina de c.
c., a partir de las ecuaciones generales anteriores, se hará referencia a la figura 9.5. Se recordará que en el capítulo 5 se menciona que las escobillas
se localizan en el eje q. La existencia de escobillas hace que el devanado de
armadura (o rotor) aparezca estacionario en el espacio (respecto al estator),
cuando menos por lo que toca al eje q, aunque en realidad los conductores
de armadura están girando. Puesto que el flujo de rotor es estacionario, no
446 Teoría general 'de máquinas eléctricas
genera voltaje de movimiento en el estator. La matriz-G para la máquina
de c.c., se convierten entonces, de las ecuaciones (9.44) y (9.42)
(9.47)
Las ecuaciones generales de movimiento buscadas para la máquina de c.c.,
convierten con o = - 1(/2 (con las escobillas ubicadas a lo largo de! eje q):
e
v S= rSi s + L pis
(9.48)
Deben aplicarse varias restricciones al sistema (9.48) para obtener las
características de una máquina de c.c. dada, en condiciones de operación específicas.
9.4 MAQUINA CON ROTOR CILlNDRICO
Si se conocen los parámetros, pueden obtenerse las características de un
motor de inducción a partir de las ecuaciones generales (9.45) y (9.46). A
fin de lograr este propósito, tómese una máquina de dos fases con dos devanados independientes en el estator y dos en el rotor. La matriz-L la da la
ecuación (9.18) y las restricciones para un motor de inducción son: 1) los
devanados de rotor deben estar cortocircuitados, es decir v~ = v~ = O Y 2)
Estator
Eje q
--€::D---...,--- - - -
,
Rotor
S
I
Eje d
FIGURA 9.5
Máquina de c.c. mostrando los ejes de flujo de estator y rotor.
Máquina con rotor colindrico 447
la frecuencia de corriente de rotor, como se vio en el capítulo 6, debe ser
w" = W S - w m donde w m es la velocidad de rotor = (Jo y ú.)S = frecuencia
de estator. Además, se dará una excitación de dos fases balanceada en el
estator, de tal suerte que
v;= VScoswSt
vt = VSsenwSt
(9.49)
y
i;=¡Scos(wSt-</>S)
it = ¡Ssen(wSt _</>S)
i; = l' cos(wrt _</>r)
(9.50)
ib = ¡rsen(wrt _</>r)
Al sustituir los valores paramétricos, las restricciones señaladas antes y
reemplazar las ecuaciones (9.49) y (9.50) en la ecuación (9.45), se obtiene
(9.51), con (Jo = w m + {) (ya que (Jo = w m ). Aquí se observa que aunque
{) es una constante de integración, corresponde al ángulo de potencia:
V ScoswSt +wSL sr¡rsen(wSt + {) _</>r) = (r S+ L 'p)i:
VSsenwSt - wSL sr¡r cos(WSt + {) _</>r) = (r S+ L'p )it
wrL sr¡Ssen(w S( + {) _</>S) = (rr + Up )i;
(9.51)
- wrL sr¡S cos(WSt + {) _</>S) = (rr + Up )ib
Como las corrientes y voltajes son magnitudes que varían sinusoidalmente,
la ecuación (9.51) puede expresarse en función de exponenciales complejos, tomando
yS= vs¿o
1'=¡Se-j <P'
y
en cuyo caso la ecuación (9.51) se reduce a las ecuaciones de fasor
ys _ jwSL srr = (rS +jwSL S)I'
(9.52)
- jwrL sr l' = (rr + jwrLr)r
(9.53)
y
448 Teoria general de máquinas eléctricas
rS
jwS(L S - Lsr )
jwS(L' - Lsr )
r'
+
V
S
FIGURA 9.6
dos fases.
Í
s
(1 - s)
Un circuito equivalente por fase de un motor de inducción de
Si se recuerda la definición de deslizamiento s = (w s
cribe la ecuación (9.53) como
- jwSL sr!, = (~
-
w r ) /w s , se rees-
+jwsL' )1'
(9.54)
Las ecuaciones (9.52) y (9.54) pueden representarse por el circuito que se
muestra en la figura 9.6, que es el equivalente en régimen estacionario por
fase, de un motor de inducción. Aquí, w S (Ls - Lsr) es la reactancia de fuga de estator y W s Lsr es la reactancia magnetizante.
Una vez establecido el circuito equivalente, se pueden obtener las características completas del motor de inducción, como se indicó en el capítulo 6. Las características de una máquina síncrona de rotor redondo,
también pueden obtenerse de una semejante a la anterior. Su obtención se
deja como ejercicio (ver problema 9.4).
9.5 MAQUINA CON PROTUBERANCIA EN EL ROTOR
La matriz--L de una máquina con rotor saliente de dos fases la da la ecuación (9.35). Cuando se sutituye esta ecuación en las ecuaciones generales
de movimiento, como en la (9.1) y (9.2), se obtienen ecuaciones diferenciales con coeficientes funciones del tiempo. Para obtener las características
de máquina, deben resolverse estas ecuaciones en condiciones específicas;
sin embargo, las soluciones analíticas son difíciles, por lo que se deben obtener numéricamente, como se _explicará más adelante o mediante una técnica de transformación que se discutirá en la siguiente sección.
9.5.1 La transformación dq.
Como se ve, la dificultad para resolver las ecuaciones de movimiento proviene del movimiento relativo entre el rotor y el estator, lo que da coeficientes
que varían con el tiempo. Así, parece lógico pensar que si las bobinas del
estator (o devanados) se reemplazaran con bobinas ficticias, montadas sobre el rotor, se eliminaría el problema planteado por el movimiento relati-
Máquina con protuberancia en el rotor 449
Eje de la
fase a
tPb
Eje de la
fase b
Eje q
FIG URA 9.7
La transformación ab a dq en una máquina de rotor saliente.
va. Para asegurar la equivalencia entre las bobinas originales de estator y las
ficticias sobre el rotor, los campos del entrehierro deben permanecer invariantes. Es decir: la fmm producida por las nuevas bobinas en el rotor, debe
ser igual a la producida por las bobinas originales del estator. Sin olvidar
lo anterior, véase la figura 9.7, que muestra una máquina con polo saliente
con bobinas de estator y rotor originales, así como las nuevas d y q, respectivamente, colocadas a lo largo de estos ejes. Las corrientes en las diversas
bobinas y sus vueltas son las indicadas en esta figura. Se supondrá que el
rotor no está excitado, pues se desean encontrar las condiciones de equivalencia entre las bobinas originales ab del estator y las nuevas dq sobre el
rotor. Descomponiendo las fmms a lo largo de los ejes d y q, se obtiene
Fd = Ndid = N(ia cosO + itsenO)
Fq = Nqiq = N( - iasenO + ib cosO)
(9.55)
Puesto que las bobinas N d y N q son ficticias, se pueden seleccionar
N d = N q =N Y expresar la ecuación (9.55) en forma matricial como
r ~d ] = [
l
lq
cos O seno] [
-sen9 cosO
~a
lb
]
(9.56)
450 Teoria general de máquinas eléctricas
De este modo, las corrientes de fase originales ia e ib se transforman en las
nuevas corrientes id e iq , dadas por la ecuación (9.56). En virtud de que el
devanado de rotor (o campo) permanece sobre el rotor, la corriente de campo ir no sufre ninguna transformación. Con la inclusión de ir' la ecuación
(9.56) puede reescribirse como
[-¡~-
cosO
= -senO
- - - O
senO: O
cosf}¡ O [ i"
- - -
-:, -
O ,
-
!f
(9.57 )
Por inversión
[-t1=[~:;:- -~~Fr~ H1
(9.58)
En general la ecuación (9.58) puede escribirse como
(9.59)
donde i ' denota la nueva corriente y Sd q es la matriz de transformación que
relaciona a i ' con la corriente original i. A la Sd q se le conoce como tranformación -dq. Se observa además que:
(9.60)
donde ~ denota una transposición que implica que se trata de una transformación ortogonal.
En resumen, las variables ab se relacionan con las dq mediante la ecuación (9.59), por ejemplo
y
Vab=SdqVdq
(9.61)
con
(9.62)
Máquina con protuberancia en el rotor 451
y
-1
Sdq
=Sdq
La sustitución de la ecuación (9.61) en las ecuaciones (9.1) y (9.2) da
las ecuaciones de movimiento, en función de las variables transformadas:
(9.63a)
(9.63b)
Para desarrollar estas ecuaciones, analicese el segundo término
S,/qp(LSdqidq ) = S,/ql [ (
~~ O )Sdqidq + L :0 (Sdq)Oidq + LSdq(pidq ) ]
= [ S,/ql ~~ Sdq + S,/qIL
=
{S,/ql[
:0 (Sdq) ]Oidq + (S,/qILSdq)pidq
:0 (LSdq ) ]0+ (S;/LSdq)p }idq
(9.64)
Al sustituir la ecuación (9.35) en la (9.62) se obtiene, después de simplificar
(9.65)
donde Ld = Ls + L~ V Lq = Ls (~.60b) y (9.65) se obtiene
L~.
De donde, con las ecuaciones (9.63a),
(9.66)
y
Te =idq
si s(Ld -Lq)+iqf
si L sr
(9.67)
N ótese que se eliminó la dependencia angular en las ecuaciones de
movimiento y para operación a velocidad constante, la ecuación (9.60)
452 Teoría general de máquinas eléctricas
es un conjunto de ecuaciones diferenciales lineales con coeficientes constantes. De esta ecuaciones se pueden obtener las características de una
máquina de rotor saliente, por ejemplo un generador síncrono de polo saliente o un motor.
Conviene destacar que puesto que una máquina de rotor redondo es
un caso especial de una máquina de polo saliente, en la que se anulan los
efectos de protuberancia, la transformación es también aplicable a la máquina de rotor redondo. Esto es, un motor de inducción de dos fases puede analizarse mediante esa transformación (ver problema 9.5).
9.6 OTRAS TRANSFORMACIONES ESPECIALES
Anteriormente se observó que las soluciones analíticas de las ecuaciones de
movimiento no son inmediatas. Las soluciones explícitas sólo se podrían
obtener mediante la transformación dq para eliminar la dependencia dq en
las ecuaciones. A pesar de que fuera posible obtener el circuito equivalente
del motor de inducción en estado de régimen, las soluciones directas de las
ecuaciones de movimiento no se determinan fácilmente en condiciones
transitorias. Un método alterno a la transformación dq para obtener las
características dinámicas de una máquina de rotor redondo es usar las transformaciones de componentes simétricas (+ -) y la progresiva-regresiva
(fb: forward-backward). Dado que existE' una base matemática para estas
transformaciones,1 aquí se usan en calHad de definiciones. La matriz que
define a la transformación + - para un¡ máquina de dos polos es
8
+-
=_1_[
1. ~]
v'2
-J
(9.68)
y
8- 1 =S*
++-
=_1_[1
v'2 1 -;]
(9.69)
donde ~ denota la transpuesta,* el complejo conjugado y -1 el inverso
de una matriz. Las relaciones entre las cantidades originales (sin acentos)
y las transformadas (con acentos) son
y
(9.70)
v=8+ _Vi
Para aplicar esta transformación a una máquina de dos fases cuya matriz-L la den las ~cuaciones (9.20) y (9.21), se sustituyen éstas y las ecua-
Otras transformaciones especiales 453
ciones de la (9.68) a la (9.70) en las ecuaciones (9.1) y (9.2) para obtener
las ecuaciones transformadas de movimiento en forma desarrollada como
rS+Up
O
O
r S+ Lp
: LSTejO(p+jÓ)
O
I
O
LSTe-jO(p-jÓ )
----------------~----------------
LSTe-jO(p-jO)
O
O
LST~O(p+jÓ) I
I
r'+L'p
O
O
r'+L'p
I
(9.71)
(9.72)
e,
Para una velocidad dada, W m = la ecuación (9.71) es un conjunto
de ecuaciones diferenciales lineales con coeficientes de funciones del tiempo, empero, la (9.72) es aún no lineal. Para resolver esta dificultad, las
cantidades de rotor se refieren al estator mediante una transformación adicional, la fb. Las componentes de esta transformación se relacionan con
las componentes de la + - por
(9.73)
donde
(9.74)
Cuando se introduce esta transformación en los voltajes y corrientes
de rotor las ecuaciones (9.71) y (9.72) se convierten en
V
S
+
v~
v'
f
v'b
rS+Up
O
I
U'p
O
o
rS+Lp
I
I
O
U'p
--------------------------------
o
I
L w, (p + jwm )
r'+L'(p-jwm )
:
O
(9.75)
T =}Ls,(¡s*¡,_¡S
e
+ f
¡'*)
+ f
(9.76)
454 Teoria general de máquinas eléctricas
(a)
jWn!ST i!
+
rr
+
-
vr
b
·s
+
'-
rs
(U -
Lsr Jp
jW m L sr¡,
(b)
FIGURA 9.8 a) Una máquina de rotor redondo de dos fases; b) Un circuito
equivalente en función de variables +, -y fb.
En la figura 9.8 se muestra un circuito equivalente que representa la ecuación (9.75), de este circuito pueden obtenerse las características de máquina para dadas restricciones
Ahora se ilustrará la utilidad del análisis anterior; tomar un motor
de inducción de dos fases operando con voltajes desbalanceados, es decir,
v;= V;coswt
vt= Vtsen(wt+cp)
(9.77)
Otras transformaciones especiales 455
(9.78)
v; = v¡;= vJ = v¡; =0
Con las ecuaciones (9.68), (9.70) Y (9.77), se obtiene
VS
+
= _1_ [( VS +jVS)e}wI + (Vs*
2Y2
a
a
b
Jw1 ]
+ jVs*)eb
(9.79)
v~ = 2~ [(V;-jVneiwI+(V;*-jVb*)e-JwI]
donde
V;= V;
(9.80)
vt = - jvtei<P
y el asterisco indica el complejo conjugado, en estado de régimen
V S = _1_(vs +J'V S )
+
Y2
a
b
(9.81)
V S = _1_(vs_J'V/)
-
Y2
a
b
Mediante la ecuación (9.81), la (9.79) puede expresarse como
S W1
v S+ = l(
2 V + ei + VS*e-Jw1)
-
(9.82)
v~=v~
Asimismo, la ecuación para las corrientes en estado del régimen, puede
escribirse
.r-l(Ir~jWI+lr*
-}WI)
lf - 2 f~
be
(9.83)
'r
. r*
lb =lf
En la ecuación (9.79) se observa que es posible resolver el voltaje en dos
componentes: V~eiWI y V~e-JwI. En consecuencia, cuando se intro-
"'
,',',
,,.
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _......_ _ _ _ _ _ _
I""nl!lliil""'reff~~~'":"·"
456 Teoria general de máquinas eléctricas
ducen las ecuaciones (9.79) a (9.83) en la (9.71), se tiene para una velocidad de rotor w m y una excitación Vs ejWt
+
v~
= (r S+jwU)/~ +jwL srlí
(9.84)
Para una excitación VS '!:. e -jWt se tendría
V~O = (r S-jwL s )/~O -
jwL srlr
(9.85)
Pero (w - w m ) = sw y (w + w m ) = (2 - S) w, donde s es el deslizamiento,
por lo que las ecuaciones (9.84) y (9.85) pueden reescribirse en su forma
final en función de voltajes y corrientes no conjugadas de la manera siguiente:
v~ =
(r S+ jwLS)I'r +jwLsrlí
(9.86)
y
V~
=(r S+jwU)/~
+jwLsrl;
(9.87)
Estos dos conjuntos de ecuaciones dan las características volt-amperio del
motor. De manera semejante, es posible expresar la ecuación de par (9.76)
mediante la (9.83):
T
e
r)
I ro_lsOl
=!41Lsr[(lsOlr_ls
IrO)+(l s- b
+1
+1
-b
S r)e-i 2w1 + (lsOl rO - ISo IrO)e -J2WI]
+ (I s-1
¡r - I +b
+b-1
(9.88)
Al resolver las ecuaciones (9.86) y (9.87) para las corrientes, haciendo la
sustitución en la ecuación (9.89) y observando que el valor promedio de
e±j2wt es cero, se obtiene la expresión para el par promedio como
Otras transformaciones especiales 457
(~)W(Lsr)2: (V~)2
Tav =-------------------------------------
(9.89)
r ) r2
rrrs
- - W 2[L'U-(L sr )2] } 2 +W 2( rSLr+_r_L
{2-s
2-s
En la figura 9.9 se da un resumen de la transformación de dos fases
discutida hasta aquÍ. Los superiores -1, * y ~ denotan las matrices inversa, conjugada compleja y transpuesta, respectivamente.
Observese el siguiente ejemplo para ilustrar la aplicación de lo anterior.
Ejemplo 9.1
Un servomotor de dos fases, dos polos, en 400 Hz, tiene las siguientes constantes de circuito (por fase):
r S =50 ohm
wL s =610 ohm
,r=430 ohm
wL'=460 ohm
y wL sr =380 ohm
Calcular el par en estado de régimen para una velocidad de 6000 rpm, si las
0
dos fases se excitan con voltajes va = 230 LO° Y v b = 115 L -90
Con estos datos se tiene
n = 120 x 400 =24000 rpm
s
s
2
'
= 24,000-6000 =075
24000
.
,
w=2?TX400=2513
r/s
Con la ecuación (9.81) se obtiene
v~ = _1_ [230+ j( -jI 15)] =244 V
V2
458 Teoría general de máquinas eléctricas
s+ _
o
~O'~-E~---------------S;~
S-l
dq
o
~0
~-E~----------------~
S;~
- 1 [1 lJ
S+_ - ';2
sdq -
-j
[cos
-sen
ee
j
,
sen
e],
e
cos
Sd- 1
q
= Sdq
FIGURA 9.9 Resumen de transformaciones de dos fases.
V~ = _1_ [230-¡( -¡liS)] =81.3 V
V2
Al sustituir los valores numéricos anteriores y los datos en la ecuación (9.89)
se obtiene
9.7 NOTA ACERCA DE LAS TRANSFORMACIONES DE TRES FASES
Hasta ahora, en las discusiones, por lo general se ha hecho referencia a
máquinas de dos fases; no obstante, se sabe que la mayoría de las máquinas
industriales de c.a., son trifásicas. Por lógica, es necesario saber si los métodos desarrollados hasta aquí son aplicables también a tales máquinas.
Los principios que sustentan a los análisis de las secciones precedentes
también son aplicables a las máquinas trifásicas o multifásicas, y no son privativos de las de dos fases. Por ejemplo, puede demostrarse que en ciertas
condiciones una máquina polifásica puede reducirse a una equivalente de
La máquina primitiva 459
dos fases. Anteriormente, los análisis se limitaron a esta última para ilustrar
principios fundamentales y reducir las operaciones algebraicas al mínimo.
Aunque no se estudiarán con detalle los aspectos de las transformaciones
trifásicas, se señalará que éstos se expresan mediante matrices de 3 X 3. En
virtud de que existen variables trifásicas, (a, b, e) en correspondencia hay
tres variables transformadas. Así, las tres componentes de las componentes
simétricas son las componentes de secuencia positiva, negativa y cero (+-0).
En forma semejante, las tres componentes de la transformación dq son las
componentes d, q, O. Además, existen las transformaciones trifásicas a las
de dos fases. Dado que donde quiera se pueden encontrar los detalles para
máquinas trifásicas, no es necesario abundar aquí al respecto. Como la utilidad de las técnicas de transformación se limita a.. casos en cierto modo
idealizados, se revisará sucintamente la máquina primitiva o generalizada
en la sección a continuación y después se presentarán soluciones digitales
para algunos ejemplos reales.
9.8 LA MAQUINA PRIMITIVA
En la sección 9.1 se indicó que se puede derivar un número significativo
de máquinas a partir de una máquina con devanados estacionarios a lo largo de los ejes d y q, como se muestra en la figura 9.10. Los devanados de
rotor "aparecen" como estacionarios por la presencia de las escobillas. Supóngase que hay una protuberancia en el estator; de este modo, se tiene
una máquina de c.c., con cuatro escobillas, en la que las bobinas a lo largo
del eje d no están electromagnéticamente acopladas con las del eje q. Los
voltajes inducidos en las diversas bobinas son como sigue:
1. Voltajes provenientes de autoinductancias
2. Voltajes de tipo transformador (provenientes de inductancias mutuas)
en bobinas acopladas mutuamente.
3. Voltajes rotacionales (o de velocidad) en la bobina del rotor d debido
al campo de la bobina q del estator y en la bobina q del rotor, debido al
campo de la bobina d del estator.
4. Voltajes rotacionales en la bobina d del rotor, debido al campo de la
bobina q de rotor y en ésta por el campo de la bobina d de rotor.
Al escribir las ecuaciones de equilibrio de voltajes deben tenerse presentes los voltajes mencionados antes. Haciendo referencia a la figura 9.10,
la ecuación de voltajes en notación matricial se hace
v/
S
Vq
v/
V
qr
r/+L/p
O
O
rq' + Lq'p
I
I
Ld/P
O
O
LqqSp
----------~----------
Ld/P
Gq/swm
GdqrsWm
Lqq''p
I
I
I
rr + LdP
Gq/rwm
Gdqrrwm
rr + LqP
Id· s
lq· s
i/
lq· r
(9.90 )
460 Teoria general de máquinas eléctricas
Ejed
(~'----L¡-"""'---v~s
Lj
L -__________________________
~
+
~ Ejeq
+
+
FIGURA 9.10 Máquina primitiva generalizada.
donde las GiS son coeficientes para voltajes de velocidad; los subíndices
corresponden a los ejes d y q y los índices superiores corresponden al estator o al rotor. Por ejemplo, Gd"q representa el coeficiente de voltaje de velocidad para el voltaje inducido en la bobina de eje directo (subíndice d) de
rotor (superior r) debido a la rotación en el eje de cuadratura (subíndice q)
de estator (superior s). En la figura 9.10 aparecen otros símbolos, obsérvese que
=
= r, recuérdese el significado de GiS dado en la sección 9.3,
donde se tiene G = (aLsr ¡aO) O = 80 • En consecuencia, lo que viene a continuación se puede sustituir en la ecuación (9.71)
Gdq's = - Lqqrs, Gq/ s = Ld/r
r; r;
para obtener
O
O
r/+L/p
rS+LSp
O
L qq s'p
O
q
q
----------~---------r
Ld/
- Lqqrs Wm I r r + L/p - Lq'Wm
srW
Lqq rsp II L/W.m
rr + L q'p
Lddm
(9.91 )
La formulación en el dominio del tiempo 461
Esta ecuación también puede escribirse como
(9.92)
donde la matriz-G, que contiene los coeficientes de voltaje dependientes
de la velocidad, es simplemente
~
~ i -~- --~ -]
G = [- O - - -LrsIO
qq
L sr
O I L r
I
dd
d
-Lr
q
(9.93)
O
De donde, la ecuación del par es
(9.94)
Como puede verse en la ecuación (9.3), estas ecuaciones son semejantes a las de máquinas estudiadas con anterioridad. Se concluye así, que la
máquina primitiva es una máquina general de la que pueden derivarse o",ras
si se aplican las restricciones adecuadas. En vista de que la máquina pr mitiva ya casi no tiene importancia práctica, ya no se tocará el tema. E' l las
referencias bibliográficas 2 a 6 hay detalles al respecto. Ahora, se procederá a ver las aplicaciones de computadora digital para obtener directamente
soluciones a las ecuaciones de movimiento.
9.9 LA FORMULACION EN EL DOMINIO DEL TIEMPO
Se recordará que la ecuaciones de voltaje y par de una máquina eléctrica
pueden escribirse rutinariamente como (9.1) y (9.2), repetidas aquí para
mayor facilidad
v=ri+ ~(Li)
dt
Te=
a (L·)1
-"21-;1 ao
(9.95)
(9.96)
Las características de ejecución de la máquina se obtienen resolviendo estas ecuaciones. Al respecto, en las discusiones de las últimas secciones se
observa que la teoría generalizada de máquinas intenta resolver estas ecuaciones mediante un método de transformación. Mientras que el método de
transformación (como la dq o la + -) facilita la solución de las ecuaciones
de movimiento, es aplicable sólo cuando la máquina se idealiza y sus matrices de inductancia cumplen ciertos requisitos. Hay muchos ejemplos en los
462 Teoría general de máquinas eléctricas
que las inductancias no varían en forma ideal (sinusoidal) o en que los coeficientes sinusoidales no acusan cierta simetría. En tales casos las transformaciones no resuelven las ecuaciones de movimiento, pues no se eliminan
los términos dependientes de la posición. Sin embargo, una formulación en
el dominio del tiempo proporciona una manera de resolverlas; con una formulación de este tipo se resolverán las ecuaciones (9.95) Y (9.96) mediante
métodos numéricos en computadora digital. Un método ordinario de integración numérica, como el de Runge-Kutta Gauss-Seidel (RKGS) y el Programa de modelamiento de sistema continuo (CSMP: continuous system
modeling program) algunas veces son aplicables a esas ecuaciones. De este
modo, se obtienen directamente las soluciones buscadas. Mediante algunos
ejemplos se ilustrarán los detalles del caso.
Ejemplo 9.2 Generador síncrono
Para la operación generador, conviene expresar la ecuación (9.95) en forma
de variables de estado; con este objeto, se reescribe como
. Ldtd. (ddt L)·
f1+ -1+ -
I=V
Si el generador síncrono opera a una velocidad w m
puede expresarse como
(9.97)
= a, la ecuación (9.97)
(9.98)
Premultiplicando los dos miembros de la ecuación (9.98) por w m L -1, finalmente se obtiene
-d.
1=
dO
donde Z = w
m
L -1 (r
+ W m ~L)
da
Z·1+ Bv
yB
(9.99)
= w m L- 1 .Obsérvese que la ecuación
(9.99) es la ecuación de estado en la forma estándar. Ahora se aplicará esta
formulación a un generador síncrono de polo saliente que alimenta una
carga puramente resistiva. Dada la disimetría inherente de la máquina, el
coeficiente de inductancia L a sbs , en la ecuación (9.34) no es LSo . En conse
cuencia, la transformación dq no eliminará los términos dependientes de a.
Por lo tanto, se debe usar la formulación en el dominio del tiempo y resolver las ecuaciones mediante integración numérica.
Para este ejemplo, tómese una máquina de polo saliente, en 50Hz, 12
polos, dos fases, 220V y 10 kW, con los siguientes parámetros:
La formulación en el dominio del tiempo 463
Laa ss = (15.93 + 2.96 cos 2e), mH; L a b SS = a
b 956 sen 2e mH' L
ss =
·
"
bb
(15.93 - 2.96 cos 2e), mH; L arsr = L rrs a
= O
197
sen
e
H'
L
sr
=
L
rs
=
·
,
'br
rb
s
0.197 cos e, H; Lrrrr = Lf = 2.52 H; r =ra + rpeso = (0.1 + 9.68) = 9.78
ohm, rr = r f = 7.5 ohm;ua = Ub = O; y uf = 3.75 V,
cuyos símbolos se definieron en las ecuaciones (9.23) y (9.35). El problema consiste en calcular, con estos valores numéricos, las corrientes de armadura en estado del régimen. Un método posible de solución para la
ecuación (9.97), cuando ésta se reduce ala ecuación (9.99), es usar la RKGS,
subrutina de integración del Paquete de subrutinas científicas de la IBM-360.
Esta subrutina requiere otras dos subrutinas de usuario: una de salida y otra
para evaluar el segundo miembro de la ecuación (9.99) para una pareja determinada i - e. Un par típico i - e puede ser la corriente inicial io y la
posición angular inicial fI o' que se suponen nulas, excepto para ir = ir = 5A,
en este ejemplo. El diagrama de flujo para usar la subrutina RKGS se muestra en la figura 9.lla y en la 9.11 b, el diagrama de flujo para evaluar FCT
= di/de. Los términos d/de en Z de la ecuación (9.99) pueden evaluarse
numéricamente para las funciones Z. El procedimiento es el siguiente.
Si se consideran las matrices Z y B de la ecuación (9.99), se ve que
incluyen operaciones aritméticas tales como inversión de matrices, multiplicación por una constante, etc. No es necesario efectuar estas operaciones
a priori, es mejor alimentar la computadora con los datos adecuados y ejecutar la operación deseada en la computadora. Con este objeto, la ecuación
(9.99) se reescribe como
donde L es la matriz original-L, Z¡ = -(r/w m ) + (dL/de), y ve = (vjw m ).
En este ejemplo, conocida la matriz Z y con los valores numéricos
dados, las corrientes de armadura calculadas para las dos fases que alimentan a cargas puramente resistivas se muestran en la figura 9.12. Es evidente
que las corrientes de salida difieren sustancialmente de las formas sinusoidales, como consecuencia de la disimetría de la máquina.
Debe observarse que en este ejemplo se buscó calcular valores en estado de régimen de corrientes, es decir, iCe) = i(e + 21T). En principio, i(O) =
O se pudo haber tomado como condición inj·:ial. Sin embargo, junto con
la solución para estado de régimen, este procedimiento daría la solución
transitoria a expensas del tiempo de computación. Por otra parte, si pudiera conocerse i(e) para cierto ángulo e = n1T lo suficientemente grande para
asegurar la extinción de los transistorios, la solución en estado de régimen podría computarse en un ciclo únicamente. Aunque la corriente i(n1T) no sea
conocida se puede estimar, ahorrando así la necesidad de computar gran
464 Teoría general de máquinas eléctricas
Leer condiciones
iniciales
Leer
parámetros
escritos
(a)
:":valuar
términos
dependientes
de () enL,
Z y v
Invertir
L
(b)
FIGURA 9.11 Diagrama de flujo para calcular las corrientes de fase mediante
la subrutina RKGS.
parte de la solución transitoria. Esta estimación se obtiene tomando i(O)
en las corrientes en estado de régimen en pausa, que son ir = 5A, ia = O A
e ib = OA. La iteración se lleva a 25 puntos para cada intervalo de 1T para
seis ciclos. En seguida se toma i(121T) como valor estimado para un estado
de régimen. Los cálculos finales se hicieron para seis ciclos usando 200
puntos de iteración para cada intervalo de 1T. La figura 9.12 es una gráfica
de la corriente para el sexto ciclo.
Aunque no se intenta estudiarla aquí, procede señalar que la información respecto a la aplicación de la formulación en el dominio del tiempo a
La formulación en el dominio del tiempo 465
/.'\.
30
/
20
./.
.
\
.
/
I
10
I
t
I
I
I
\
. /
.
\.i
- 8 (rad)
FIGURA 9.12 Corrientes de fase calculadas: - . - , corriente en la fase
a;-, corriente en la base b.
transitorios en máquinas síncronas es abundante en los textos relacionados
con el tema (consultar por ejemplo la referencia bibliográfica 7).
Ejemplo 9.3 Dinámica de los motores de inducción.
En la discusión del capítulo 6 se consideró sólo el comportamiento en estado de régimen del motor de inducción, empero, los motores de inducción
sufren transitorios por conmutación, obturación, sobrevelocidad, inversiones y aplicaciones repentinas de carga, así como por el arranque. Es pues
útil entender la dinámica de los motores de inducción, aun cuando no es
posible examinar la mayoría de los momentos en que ocurren dichos transitorios, se expondrá un método general adaptable a muchas situaciones
prácticas. Este método se basa en la formulación en el dominio del tiempo de las ecuaciones de movimiento.
466 Teoría general de máquinas eléctricas
Al igual que en el capítulo 4, considérese al motor de inducción como
un conversor de energía electromecánica con devanado múltiple. Usando
la notación de la sección 4.7, las ecuaciones de movimiento pueden escribirse en forma matricial como sigue
v=ri+
P:
Te = TI
~(Li)
dt
aL.1= J'
ao
Wm
(9.100)
+ bWm + e
(9.101)
donde Tdenota la transpuesta de i, el resto de los símbolos se definirán posteriormente. A fin de obtener la solución para el par transitorio, por ejemplo, deben conocerse las corrientes de estator y rotor, que se obtienen de la
ecuación (9.100) y se sustituyen en la ecuación (9.101).
En virutud de que las ecuaciones anteriores son no lineales con coeficientes variables en el tiempo, se resuelven numéricamente como en el último ejemplo. Para ello, conviene expresar las ecuaciones de movimiento
en forma de variables de estado. Para las ecuaciones (9.100) y (9.101) se
tiene, por lo tanto,
(9.102)
(9.103)
que pueden combinarse para obtener
donde los diversos vectores son
x=Ax+Bv'
(9.104)
.-[~; 1
(9.105)
v'=
[r 1
L- 1
o
B= O
rO
y
O
-L-I(r+ ~~)
A=
~ [F(i)]
O
~l
e
J
O
b
J
O
(9.106)
O
O
O
(9.107)
La formulación en el dominio del tiempo 467
con
.
p
(J=-w
2
m
y
F(i) = Ó aL i
a(J
De esta manera, el problema de los transitorios durante el arranque de
inducción se reduce a resolver la ecuación de estado con coeficientes variables en el tiempo. Esta ecuación puede resolverse con la subrutina RKGS,
como se discutió en el último ejemplo. En la figura 9.13 aparece el diagrama de flujo, ligeramente modificado, que va a usarse con la figura 9.11a.
Leer condiciones
Leer
parámetros
escritos
Evaluar
términos
depend ientes
de Ten L,
Invertir
L
Zv v
FIGURA 9.13 Diagrama de flujo con los pasos en la computación.
468 Teoría general de máquinas eléctricas
0.063
n
0.148
n
0.148
n
0.083
s
n
FIGURA 9.14 Un circuito equivalente aproximado para un motor de inducción.
Para ilustrar el procedimiento, considérese un motor conectado en Y, en
60 Hz, cuatro polos, 220 V, 30 hp, con un circuito equivalente por fase
como el de la figura 9.14. El par de carga total del motor es (0.06 m +
0.03 w m + 6) N-m, donde w m es la velocidad del rotor en radjseg. Las
características de aceleración se estudiarán cuando las terminales de estator se conectan repentinamente a una alimentación trifásica 220-V.
Las ecuaciones (9.10) y (9.11) se pueden reescribir en forma desarrollada como
ss
sr
v'] = [ r' + pL
pL
][ ¡S]
(9.108)
[ v"
pLrs
rr + pLrr ¡r
w
[LSS
- P ['s.r]
T 11 - a
e
2
a(} L rs
Lsr ] [ ¡S ]
Lrr
(9.109)
ir
donde p = djdt, los índices superiores r y s corresponden a magnitudes de
estator y rotor, respectivamente. Para el caso que se analiza, las diversas
submatrices son
v'=
180cos377t
180cos(377t-cj»
[ 180cos(377t+cj»
1;v"= [O]
O
(9.110)
O
con <p = 21fj3.
.063
rS =
O
[ O
O
0.063
O
LSS = Lrr =
Lsr =
~ 1ohrn;rr= [.Og3
0.063
O
20.3925
- 10.0
[
-10.0
20cos(}
20cos( (}-cj»
[ 20cos( () +cj»
-10.0
20.3925
-10.0
20cos( () + cj»
20cos(}
20cos( () -cj»
O
0.083
O
~
]ohrn(9.111)
0.083
-10.0 ]
-10.0 rnH
20.3925
20cos«(}-cj»
20cos«(}+ cj»
20cos(}
(9.112)
1
mH
(9.113)
La formulación en el dominio del tiempo 469
400
~
B
t
200
Q)
Q)
"~c:
o
Q)
.¡:
(;
u
t
-200
-400
-600
0.02
0.04
0.06
0.08
0.12
0.10
--Tiempo (s)
FIGURA 9.15 i(t) durante el establecimiento de la velocidad.
2000
/.-.... ..........
E 1500
e-
E
"~ro
Z
.;
E 1000
Q)
§. 400
>
5
f-
500
t
.
....- ........... ....--.-'-
I
o
t
/
600
_
I
200
0.04
0.08
0.10
0.12
0.14
----+- Tiempo (s)
FIG URA 9.16 Establecimiento de velocidad y par:-, par; - . - , velocidad.
470 Teoría general de máquinas eléctricas
600 r-----,-----,------,-----,
E
I
~
...lO
Il.
400
200
t
o
-120 '--____-L-_ _ _ _--'-_ _ _ _--'-_ _ _ _- - '
1500
2000
500
- - Velocidad (rpm)
FIGURA 9.17 Características par transitorio-velocidad.
con ifJ = 21T /3.
Aquí US = U r -la transpuesta. En la ecuación (9.101), P = 2. El par
de carga, como se dijo antes, lo da
(9.114)
Ya con los valores numéricos de las in;juctancias y determinado el par de
carga mediante la ecuación (9.114), se ~uede evaluar numéricamente el vector x(t) del motor en estudio. El priner requisito es, por supuesto, x(O) =
O, pues se supone que el motor parte del reposo. Dos de las componentes
del vector son i y w m ; si se conoce la primera, se evalúa el par mediante la
ecuación (9.109). En las figuras 9.15 y 9.16 se muestran los valores calculados para i(t), Te(t) y wm(t). En la 9.17 se muestra la característica par
+
r/n
LI
V,
'1
+
VI
FIGURA 9.18 Un motor de c.c. excitado separadamente.
FIGURA 9.19 Programa para calcular transitorios en un motor de c.c.
.¡:.
-.l
472 Teoría general de máquinas eléctricas
transitorio /velocidad. Nótese que las características par dinámico /velocidad
difieren sorprendentemente de las típicas de en estado de régimen vista en
el capítulo 6.
Ejemplo 9.4 Dinámica de un motor de c.c.
Al igual que en el último ejemplo de aplicación de la formulación en el dominio del tiempo, aquí se analizará el arranque de un motor de c.c. excitado separadamente y con carga, como se muestra en la figura 9.18. De la
ecuación (9.45), las ecuaciones de movimiento con una nomenclatura un
poco diferente, son
(9.115)
(9.116)
(9.117)
'"
~
~
Et
3
t
1600
800
..,.,..------- - - - - - - - - ~
._"
t
1200
800
400
o
5
10
15
_t(s)
FIG URA 9.20 Transitorios calculados en un motor de c.c.
Bibliografía 473
Los valores numéricos de los parámetros y de las constantes para el motor
que se analiza son: ra = 0.013 ohm;La = 0.01 H;rf = 1.43 ohm;L f = 0.167
H; J = 0.21 kg-m 2 ; e 2 = 1.074 X 10-6 N-m-s 2 (especificada como Q en el
programa de computadora de la figura 9.19) eo = 2.493 N-m (e en el programa) K = 0.004 N-m/A 2 ; uf = 12 V Y Ut = 24 V.
Las características de arranque del motor se estudiarán con uf y ut
aplicadas a las terminales en t = O. Obsérvese que el primer miembro de la
ecuación (9.117) representa la carga del motor. Obviamente, las ecuaciones
(9.115) y (9.117) forman un conjunto de ecuaciones diferenciales no lineales simultáneas para las que sólo son practicables soluciones numéricas.
Con este propósito, se usará el CSMP expuesto en la figura 9.19. En la figura 9.20 se ilustran el establecimiento de la velocidad y la variación de la
corriente de armadura, que pueden tomarse como "la solución de las ecuaciones de movimiento. Sólo se trazaron las gráficas de w m (t) e ia(t), aunque el programa de la figura 9.19 también da la corriente y voltaje de
campo, el par y la fmm posterior.
En conclusión, en los últimos 40 años mas o menos, la teoría generalizada de máquinas ha desarrollado un método extremadamente útil para el
estudio de las máquinas eléctricas. Casi todos los tipos de máquinas se han
analizado mediante algún tipo de transformación, como la dq, la de componentes simétricas y otras más. Al aplicar tales transformaciones, se supone que la máquina posee cierta simetría geométrica, que hace posible el uso
de varias matrices de impedancia simétricas y cíclo-simétricas. Para ha
cer aplicable el método de transformación tuvieron que imponerse restricciones a menudo irreales. Con la disponibilidad de paquetes de subrutinas
científicas eficientes para computadoras, la formulación en el dominio del
tiempo ofrece un método efectivo para resolver problemas dinámicos y
de estado de régimen en máquinas eléctricas.
Bibliografía
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Ine. Englewood Cliffs, N. J., 1970.
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Sons, Ine., 1959.
3. D. O'Kelly y Simmons, Generalized Electrical Machine Theory, MeGraw-Hill Book
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4. H. K. Messerle, Dynamic Circuit Theory, Perg/l1non Press, Inc., Elmsford, Nueva
York,1968.
5. G. Kron, Tensors for Circuits, Dover Publications, Inc., Nueva York, 1959.
6. B. Adkins, The General Theory of Electrical Machines, Chapman and Hall, Londres,
1957.
7. R. E. Fite, "Transient Performance of an Isolated Synchronous Generator," MS
Thesis, University of Kentucky, Lexington, Kentucky, 1974.
,...
474 Teoria general de máquinas eléctricas
Problemas
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5
9.6
9.7
9.8
9.9
Determinar la ecuación (9.40) procediendo de una manera semejante a la seguida para una máquina de rotor saliente, descomponiendo las fmms a lo largo de
los ejes d y q.
La matriz-L de una máquina de estator saliente la da la ecuación (9.42). El estator está sin excitación y la corriente de rotor es ( = ¡r sen (wt + (j). Determinar
el par promedio en el tiempo desarrollado por la máquina.
Aplicar a la ecuación (9.48) las restricciones adecuadas para obtener las ecuaciones de operación en estado de régimen de la máquina, como a) generador y b)
motor.
De las ecuaciones (9.20) a (9.22) otener la matriz-L de una máquina síncrona
de rotor redondo. Recordar que en la sección 9.4 se aplicaron ciertas restricciones para obtener las características de un motor de inducción. Introducir las
restricciones adecuadas para obtener las características de par en estado de régimen estacionario de la máquina síncrona de rotor redondo con dos fases.
Aplicar la transformación dq a una motor de inducción de dos fases y obtener
de aquí su circuito equivalente. Verificar que el circuito sea idéntico al obtenido
por otros métodos (ver figura 6.17).
Para obtener una operación monofásica, una de las fases de un motor de inducción de dos fases debe dejarse sin excitación. Con las ecuaciones transformadas
dq del problema 9.5, obtener las características par-velocidad para un motor
de inducción monofásico.
A partir de la ecuación (9.75), obtener el circuito equivalente por fase en estado
de régimen de un motor de inducción de dos fases balanceado.
Una máquina rotatoria tiene dos devanados en el rotor y uno en el estator. El estator se alimenta con c.c., 24 V y el rotor gira a 100 1T rad/seg. Calcular ií(O) con
los siguientes valores numéricos: LoosS = 2.9H;L¡¡rr =L22 rr =1.95 Hh;Lo¡sr
= (-1.49 sen 0- 0.665 sen 3 O) H; L 02 sr = 1.665 cos OH; RoS =30 n;R¡r =
R 2r = 15 n; R L = 1000 n; w m =1001T rad/s; vos =24 V; ioS(O) =0.8 A; i¡ r(o)
= 0.0124 A; Y i 2 r (0) = 0.025 A, donde R L es la resistencia de carga y los subíndices 0.1 y 2 identifican a los devanados.
Considérese un motor de inducción trifásico desbalanceado, para el cual ..¡;, vr ,
r", r y Lrr son las del ejemplo 9.3. Sin embargo, L SS y L sr son las siguientes:
Vs=
v =
r
20.3925
-20cos40
[ -20cos70
20cosO
20cos(O+ 120)
[ 20cos(O-120)
-20cos40
20.3925
-20cos70
20cos(O-140)
20cos( 0- 20)
20cos(O+ 100)
1
-20cos70
- 20 cos 70 millihenry
20.3925
1
20cos( 0+ 110)
20cos(O-130) millihenry
20cos(O-IO)
Calcular las características dinámicas de arranque de este motor. Verificar que
a causa de un ligero desbalanceo en los devanados de estator el, motor sufre transitorios significativos en comparación con un motor balanceado.
9.10 Repetir el problema del ejemplo 9.4 para ra =0.0045
Trazar la gráfica de las
oscilaciones de ia(t).
n.
Apéndice I
Definición de
símbolos y
unidades
A. UNIDADES INTERNACIONALES ESTANDAR (SI)
Símbolo
A
B
e
D
D
E
E,e
f
F,F
g
H
hp
1, i
J
J
L
1
M
M
N
Unidad SI
Descripción
Potencial vectorial magnético
Densidad de flujo magnético
Capacitancia
Densidad de flujo eléctrico
Coeficiente de amortiguamiento
viscoso
Intensidad de campo eléctrico
Fuerza electromotriz (fem)
Frecuencia
Fuerza
Longitud de entrehierro
Intensidad de campo magnético
Horsepower (cv: caballo de fuerza)
(Un hp = 746 W)
Corriente
Densidad de corriente
Momento de inercia
Autoinductancia
Longitud
Inductancia mutua
Potencial escalar magnético (fmm)
Vueltas
476
Weber /metro
Tesla (T)
Farad (F)
Coulomb/metro
N ewton-metro- segundo
Voltjmetro
Volt(V)
Hertz (Hz)
Newton (Nw)
Metro
Amperejmetro
Horsepower
Ampere (A)
Ampere /metro 2
Kgr-metro 2
Henry (Hy)
Metro
Henry (Hy)
Ampere-vuelta
476 Apéndice 1
P,p
P
Q
Q
R,r
R
S
T
t
U
V,v
v
W
a
Eo
e
A.
11
110
I1R
p
1)
w
,</J
Potencia, número de polos
Permeancia (magnética)
Carga eléctrica
Factor de calidad
Resistencia eléctrica
Reluctancia magnética
Vector de área
par torsor
tiempo
Vector velocidad
Potencial eléctrico o voltaje
Volumen
Energía
Conductividad eléctrica
Constante dieléctrica (permitívidad del espacio libre)
Medida angular (radián).
Eslabonamiento de flujo magnético
Permeabilidad magnética
Constante magnética (permeabilidad
del espacio libre)
Permeabilidad magnético relativa
Resistividad eléctrica
Flujo magnético
Velocidad angular
Watt (W)
Henry (Hy)
Coulomb (C)
Ohm (n)
Henry
Metr0 2
Newton-metro
Segundos
Metrojsegundo
Volt (V)
Metr0 3
Joule (J) o Wseg.
(Ohm-metro)-1
Fjmetro
Wb
Hy jmetro
Hy jmetro
Ohm-metro
Weber (Wb)
Radiánjseg
B. Unidades alternas
Existen otros dos sitemas de unidades que se usan comunmente en ciertas
aplicaciones industriales y científicas. Se trata de los sistemas Inglés y CGS.
Las relaciones entre estos sistemas de unidades y el SI se describen
perfectamente por así convenir al análisis electromagnético mediante las
ecuaciones que relacionan a los dos parámetros magnéticos fundamentales,
a saber, las ecuaciones (2.9) y (2.10) del capítulo 2. La ecuación (2.10)
se repite a continuación para interpretar de manera adecuada los tres sistemas:
B= JLoJLRH (SI e Inglés)
B= JLRH (CGS)
Apéndice 1 477
donde las unidades y los valores numéricos son los que siguen:
SI
J.Lo
B
H
41T X 10- 7
Tesla
Amp/m
Inglés
3.19
líneas/pulg 2
Ampfpulg.
CGS
1
Gauss (G)
Oersted (Oe)
C. CONVERSION DE UNIDADES
Símbolo
B
H
cp
D
F
J
T
W
Descripción
Densidad de flujo
magnético
Intensidad de campo
magnético
Flujo magnético
Coef. amort. vise.
Fuerza
Inercia
par (torsor)
Energía
una:
(Unidad SI)
es igual a:
(Unidad inglesa)
Tesla (=lWb/m 2 )
6.452 X 10 4
líneas/pulg 2
10 4 G
A/m
W
Nw-m-seg
Nw
Kgr_m 2
Nw-m
J
0.0252A/pulg
10 11 líneas
0.73756Ib. pie-seg
0.2248 lb·
23.73 lb _pie 2
0.73756 pie-lb
1 W-seg
0.004 7r Oe.
10Mx.
dina-cm-seg
lOS dinas
10 7 gr cm 2
10 7 dina-cm
10 7 ergs
(u.caS)
Apéndice 11
Tabla de alambre
,
Iman
para
conductor
cilíndrico
recubierto con una
sola película
-
Apéndice 111
Técnicas de
computadora en el
análisis de sistemas
electromecánicos y
de máquinas
eléctricas
Desde los inicios de la "era de la computadora" se han aplicado técnicas de computadora al análisis y diseño de transformadores, máquinas eléctricas rotatorias y sistemas de control. Actualmente estas técnicas se usan
en todos las etapas del estudio de máquinas, transformadores y otros sistemas electromecánicos; este apéndice se incluye para relacionar al lector con
algunas de las muchas técnicas de computadora y programas específicos
utilizados con dicho propósito.
A. CARACTERISTICAS MAGNETlCAS
La relación no lineal del circuito magnético es un obstáculo básico para
analizar con exactitud los sistemas electromecánicos. Los de computadora
ofrecen una alternativa invaluable a las técnicas gráficas, analógicas y manuales usadas en los primeros análisis de máquinas. Algunos métodos para
el tratamiento de características magnéticas incluyen:
Una característica real B-H (o if> -Ni o E-NI) puede almacenarse en
un archivo de.,datos.
b) La curva puede representarse mediante dos o más secciones de línea recta. La figura 111.1 es un flujo típico contra la característica
de fmm para un motor de arranque. En la figura se muestran dos
secciones de recta para las pendientes mayores de la curva. Las
ecuaciones para estas secciones son
a)
cf>=6.786 x 1O- 6 (NI)fwebers, (NI)f<700
cf>=4.2 x 10- 3 +4.1 x 1O- 1 (NI)fwebers, (NI)f > 700
483
(5.36)
484 Apéndice 111
Caracter{sticas magnéticas
/
5
/
__ ---- --r/
__ -
--
/
4
/
E
É
~
o 3
c.
oc.
~ 2
o
~
LL
oL-__
~
____
400
~
____L -__
800
1200
~
____- L____L -__
1600
2000
2400
~
____- L_____
2800
3200
Ampere-vueltas por polo del campo
FIGURA III. 1. Curva del flujo contra ampere-vueltas y aproximación con líneas rectas.
Podría haberse introducido una tercera sección para describir con
más exactitud a la curva en la región de la rodilla de 1> contra la
característica NI.
e) Existen varios métodos para representar una curva, como la figura
IU.l, por medio de series de potencias de NI (o de H). En general,
se requiere un mínimo de tres términos para una representación
de este tipo. En muchos sistemas de computadora que pueden ser
accesibles al lector, los programas de soporte lógico para análisis de
regresión pueden dar las expresiones de serie de potencias para características específicas de B contra H.
d) Se han propuesto muchas expresiones analíticas para la característica de B contra H, una sumamente útil y que se ha usado en métodos de elementos finitos para el análisis de circuitos magnéticos es 1
donde K 1, K 2 Y K3 se determinan haciendo que la ecuación (5.38)
pase por tres puntos experimentales en una característica B-H de
laboratorio.
e) Elementos finitos. Hay muchos programas de computadora para el
análisis general de circuitos magnéticos usados en dispositivos electromecánicos. El uso principal de la técnica de elementos finitos
es el establecimiento y trazo de gráficas de líneas equipotenciales
Apéndice 11J 485
y de flujo, el cálculo de energía e inductancia y de fuerza. Un programa disponible en muchos sistemas de computadora para el
usuario es el AOSjMAGNETIC0 2 •
B. TRANSFORMADORES E INDUCTORES
Hay una serie de programas de soporte lógico para el diseño de transformadores e inductores disponible en muchos sistemas de computadora para el
usuario:
1. TRANS, programa general de diseño de transformadores.
2. INDUCTOR, programa de diseño de inductores.
3. TOPT, técnica de optimización de transformadores.
4. FERRO, programa de diseño para transformadores ferro-resonantes.
Bibliografía
1. J. R. Brauer, "Simple Equations for the Magnetization and Reluetivity Curves of
Steel," IEEE Transactions on Magnetics, Nueva York, Enero 1973.
2. A. O. Smith, Broehure, "Engineering Consulting Serviee,"MKT-l10577, Mayo 1977.
3. Available from Optimized Program Serviees, Ine., Berea, OH.
Indice
Coeficiente de acoplamiento, 64
Condiciones de frontera, 60
Conmutador, 20, 181, 208, 213
Control de estado sólido, 347
activación luminosa, 366
apagado de compuerta de thyristor, 366
cicloconversor,426
circuitos, recortadores, 411
conmutación paralelo de thyristor, 380
conmutación por thyristor, 373
conmutación serie de thyristor, 375
conmutador controlado por compuerta,
366
conmutador controlado por silicio, 390
controlador de eslabonamiento c.c., 418
control de motor de c.a., 416
control de razón de tiempo, 410
Darlington de potencia, 371
diodo de avalancha, 371
diodo de volante libre, 360, 399
diodos Zener, 371
disparo de compuerta de thyristor, 389
encendido de compuerta de thyristor,
385,387
formas de onda, 353
impulso de base de thyristor, 390
inversor de onda cuadrada, 418
inversores, 420, 425
lámina de datos de thyristor, 365, 366
lámina de datos de transistor de potencia,
369
ondas recortadas, 354
protección de semiconductor de
potencia, 391
recortador, 375,409
A
Aceite, aislamiento, 85
Acoplamiento de impedancias, 107
Aislador magnético, 46, 51
Aislamiento, 19
Alambre magneto, 87
Analogía fuerza-corriente, 169
Angulo eléctrico, 195, 201
Angulo del par de torsión, 155
Autotransformador, 137
AWG,32,477
C
C.A., devanados de armadura, 260
capa doble, 261
ecuación de fem, 275
encordado, 261
factor de devanado, 271, 273, 275, 315
factor de distribución, 273
factor de paso, 274
paso completo, 262
paso fraccionado, 261, 274
Caída de reluctancia, 51, 75
Campo eléctrico, 35
Campo magnético, 35,51
simetna,36
Capacidades de valor nominal, 31
Caracteristica B-H, 4:¿, 46
Ciclo de histéresis, 41, 43
Ciclo de rendimiento, 31
Circuitos equivalentes, 169
Circuitos magnéticos, 53, 59
con imanes permanentes, 68
487
488
Indice
rectificador, 359
rectificador controlado en fase, 393
rectificador de silicio, 357
RSC, ver control de estado sólido,
thyristor.
semiconductores de potencia, 355, 357
sobreimpulso de compuerta de
thyristor,388
transistor de potencia, 367
thyristor, 356,359
transistor de monounión, 390
triac,366
voltaje de pico inverso, 359
Conversión de energía, 146, 199
Corriente de excitación, 52
Curva de desmagnetización, 69, 241
D
Definición de eficiencia, 26
Definición de energía, 27
Densidad de flujo de saturación, 42
Densidad de flujo residual, 44
Deslizamiento, 267
Devanado de paso fraccional, 191
Devanado de paso completo, 191
Dimensión de estructura, 32
Dominio magnético, 41
Dualidad, 170
E
Ecuación de Bessel, 36
Ecuación de fuerza, 147, 249
Ecuación de la fuerza de Lorenz, 38
Ecuaciones de Maxwell, 37
Ecuaciones de movimiento, 159, 160
linealización, 162
solución analítica, 161
solución numérica, 166
Efecto Meisner, 40
Energía almacenada en el campo magnético,
62,65,66
Error en ángulo de fase, 138
Eslabonamiento de flujo, 61
F
Factor de fuga, 72, 73, 74
Factor de inducción 52
Factor de pila, 48
Fem de movimiento 51,162,445
Fem posterior, 196
Ferritas, 40, 88
Flujo de fuga, 53
Flujo magnético, 52
Fmm, definición, 51
Fuerza coercitiva, 44
Fuerza eléctrica, 44, 145, 147, 159
Fuerza, promedio en tiempo, 156, 173
Imanes de Alnico, 69
Imán permanente, 69-77
características, 7 O
conservador, 76
curva de desmagnetización, 69
factor de fuga, 72, 74
permeabilidad de rebobinado, 77
producto de energía, 69
relación de permeancia, 69
Inductancia, definición, 63
auto, 64
determinación, 435
muesca, 66
mutua, 64, 434
Inductancia de eje de cuadratura, 155, 328
Inductancia de muesca, 66
L
Laminaciones, 47,48,88
Ley de Ampere, 38,54, 55
Ley de Biot-Savart, 38
Ley de Faraday, 38, 61, 62
M
Magnetización intrínseca, 42, 241
Magnetostricción, 146
Máquina de Beckey-Robinson, 23
Máquina de conmutador de flujo, 23
Máquina de inductor, 23
Máquina de Lundell, 23
Máquina de Nadyne, 23
Máquina de rectificador rotatorio, 22
Máquina electromegnética, 20, 35
Máquina de electrostática, 20, 37
MáqUinas de c.c., 181
arranque, 245
campos de entrehierro, 210, 216
características, 207, 227-238
clasificación, 203
conmutador, 208, 213
constante de armadura, 196, 198
conversión de energía, 199
corrimiento de escobilla, 215
curva de magnetización, 197
devanado de compensación 215
devanado de solapa, 190, 191
devanado ondulado, 190, 192
devanados de armadura, 186, 190
descripción, 182
dinámica, 243,472
490
Indice
reactancia de fuga, 270, 272, 281
reactancia magnetizante, 270, 281
resistencia de rotor, 270, 272, 281
rotor devanado, 257
sin escobillas, 257
tipo jaula, 257
velocidad síncrona, 266
Motor de par de torsión, 20
N
NEMA,32
No linealidad, S8
Notación por unidad, 110
P
Par de torsión de reluctancia, 155, 311
Paso polar, 191,266
Perdida de núcleo, 47, 49, 50
aparente, 51
medición, 48
Pérdidas magnéticas, 46
Pérdida por corrientes de Eddy, 47
Pérdida por histéresis, 44, 47
pérdida aparente de núcleo, 51
Permeabilidad, 39, 42
amplitud, 42, 128
diferencial 42
incremental, 42, 77
infinita, 60
inicial, 42,
pulso, 42, 77
rebobinado, 77
relativa, 39
Permeabilidad de rebobinado, 77
Permeancia, definición, 52
Potencia, definición, 26
Potencial magnético, 51
Producto de energía, 44, 69
Programas de computación, 479
Punto de equilibrio, 164
R
Reacción de inducido, 207, 320-321
Regla-Bli, 38
Regla de la mano derecha, 38, 60, 61
Relación de permeancia, 69
Reluctancia, definición, 52
Ribeteado, 53
s
Saturación, 42, 48
Saturación magnética, 42, 197
Secuencia de fase, 13 2
Símbolos y unidades, 475
Sobrecargas de máquina, 31
Solenoide largo, 78
Superconductor, 40, 46
T
Tabla de conductores, 477
Temperatura de Curie, 44
Teoría del campo electromagnético. 37
Teoría general de las máquinas, 433
dinámica de la máquina, 465, 473
formulación en el dominio del tiempo,
461
inductancias de máquina, 436-444
máquina primitva, 459
técnicas de transformación, 436, 448,
452
Tipos de máquinas rotatorias, 20
Toroide, 36, 64, 66
Transformación lineal, 435
Tranformador,83
aceite, 85
acoplamiento de impedancia, 107
armónicas, 135
audio, 90
capacitancia, 122
característica de excitación, 92
circuito equivalente, 105
clasificación, 89
con carga, 101
conexiones, 126,129
conexción Scott, 136
construcción, 84
corriente, 90, 138
corriente de irrupción, 124
corriente magnetizante, 94, 96
delta abierta, 136
delta estrella, 130, 132
devanados, 84
diagrama de fasores, 94, 101, 113
ecuación de fem 95
eficiencia, 114
electrónica, 85, 90, 118
especialidad, 90
estrella de seis fases, 136
excitación de flujo senoidal, 98
excitación por corriente senoidal, 98
fmm de excitación, 102
ideal, 106, 109
impedancia, 111, 114
impedancia equivalente, 107, 111,
114
instrumento, 90
núcleo, 85, 88
pérdida por corona, 98
pérdidas de núcleo, 99, 109
polaridad, 116
potencial, 90
prueba de circuito abierto, 117, 121
Indice
ecuación de fem, 195-196
ecuación de velocidad, 201
ecuaciones de regulación, 201
eficiencia, 217
entrehierro axial, 184, 194
especificaciones de placa, 221
establecimiento de voltaje, 202, 205
excitación independiente, 233, 235
fem posterior, 196
flujo de potencia, 218
frenado, 245
frenado dinámico, 246
frenado regenerativo, 246
función de transferencia, 248
imán permanente, 237-242
interpolo, 215
línea de resistencia de campo, 204
máquina en derivación, 236
motores de control, 238
motores en serie, 232
obturación, 246
par de torsión, 199
pérdidas, 217-221
plano neutral geométrico, 208
prueba de retardación, 247
pruebas, 223-227
reacción de inducido, 208
regulación de voltaje, 235
sin escobillas, 181
Sistem Ward-Leonard, 233
Máquinas de colector polifásico, 25
Máquinas de histéresis, 22, 341
Máquinas de imán permanente, 24, 238
Máquinas de inducción, 20, 257
Máquinas de reluctancia, 22, 145, 152 -155,
341
Máquinas homopolares, 20,181
Máquinas síncronas, 20, 301
ángulo de potencia, 323, 331
arranque, 313
circuitos equivalentes, 324, 334
coeficiente de fuga de campo, 332
construcción, 302
cortocircuito repentino, 332
curvas y, 324
devanado de amortiguación, 307
enfriado, 307
excitador, 302
excitador piloto, 302
fem inducida nominal, 321
impedancia síncrona, 320
motor de histéresis, 341
motor de reluctancia, 341
operación como generador 313 320
operación como motor, 3Ú, 324
par de sincronización, 337
polo saliente. 303. ,17
prueba de deslizamiento, 339
pruebas, 339
489
reacción de armadura, 320-321
reactancias, 328, 335, 339
reactancia de eje directo, 328
reactancia de eje de cuadratura, 328
reactancia de fuga, 319
reactancia síncrona, 320
reactancia subtransitoria, 334
reactancia transitoria, 334
regulación de voltaje, 321
resistencia de armadura, 320
rotor cilíndrico, 303, 320, 324
sobreexcitada, 324
subexcitado, 324
teoría de dos reacciones, 327
transitorio, 331
transitorio mecánico, 335
velocidad síncrona, 303
Material diamagnético, 40
Material ferrimagnético, 40
Material ferromagnético, 40
Material magnético, 39-46
blando, 40
diamagnético, 40
duro, 40
ferrimagnético,40
ferromagnético, 40
paramagnético, 39
Material paramagnético, 39
Material superparamagnético, 40
Motor de escalonamiento, 20
Motor de inducción, 257
acción, 266
anillo colector, 257
arranque, 288, 295
arranque con capacitor, 296
cálculos de ejecución, 276
campo magnético rotatorio, 264
circuito equivalente, 270, 279,448,
454
circuito equivalente del rotor, 268
control de velocidad, 285
criterios de ejecución, 282
desbalanceado, 457,474
deslizamiento, 267
dinámica, 465
eficiencia, 279
fase de hendedura, 295
flujo de potencia, 276
fmm de armadura, 260
frecuencia de deslizamiento, 269
jaula doble, 290
monofásico, 291-297
par de torsión, 266,279,283,456
polo sombreado, 297
potencia a través de entrehierro, 276
potencia desarrollada, 277
prueba de rotor bloqueado, 280
prueba sin carga, 279
pruebas, 279
bldlee
prueba de corto-<:ircuito, 119. 121
prueba de polaridad, 171
Transformadores trifásicos, 130
pruebas, 117
producto Yolt-tiempo, 128
pUbo,126
razón devueltas. 91, 98,99
reactancía de fuga. 107
reactancla magnetiZante, 109
regulación, de voltaje, 141
resistencia de devanado, 108
resistencia de pérdida de núdeo, 1m
resistencia efectiva, 109
IIIlwracíÓn, 9S
sin carga.. 92, \18. 100
Transformador co.1! núcleo de aire, 84
Transformador de corriente, 118
491
u
Unidades, 26,474
v
Valor promedio, 2S-29,174
media onda. 28
promedio en tiempo, 28, 156, 173
Valor promedio en el tiempo, 28. 156. 173
Valor R.eM, 18-29, 174
Variables de CItado, 166, 435. 466
Velocidad ~íncmna. 20.266,303
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