Motores y máquinas eléctricas

TEMA 1. PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA CONVERSIÓN
DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA …………………………………………………………. 11
1.1 Introducción …………………………………………………………………………………. 11
1.2 Definición y clasificación de las máquinas eléctricas ………………………… 11
1.3 Conceptos básicos …………………………………………………………………………. 13
1.3.1 Inductancia propia, mutua y dispersión de flujo ……………………………………. 13
1.3.2 Energía y coenergía magnética …………………………………………………………… 15
1.4 Conversión de energía magnética en eléctrica. Transformadores …………….. 16
1.5 Conversión de la energía magnética en movimiento de traslación.
Relés y contactores ……………………………………………………………………….. 17
1.6 Conversión de la energía magnética en movimiento de rotación.
Máquinas eléctricas rotativas …………………………………………………………. 22
1.6.1 Sistemas de rotación con una única fuente de fuerza magnetomotriz ………. 22
1.6.2 Sistemas de rotación con dos fuentes de fuerza magnetomotriz ………………. 24

TEMA 2. TRANSFORMADOR MONOFÁSICO DE POTENCIA ……………………….. 29
2.1 Principio de funcionamiento del transformador ………………………………… 29
2.2 Finalidad y utilización de los transformadores ………………………………….. 35
2.3 Tipos y constitución ………………………………………………………………………. 36
2.4 Potencia nominal de un transformador …………………………………………….. 41
2.5 Corriente de vacío en el transformador ……………………………………………. 42
2.6 Análisis del transformador real en vacío ………………………………………….. 45
2.6.1 Consideración de la resistencia en el primario ……………………………………… 45
2.6.2 Consideración del flujo de dispersión ………………………………………………….. 46
2.6.3 Ensayo de vacío ……………………………………………………………………………….. 47
2.7 Transformador real en carga …………………………………………………………… 50
2.7.1 Estudio del transformador en carga ideal …………………………………………….. 50
2.7.2 Transformador real …………………………………………………………………………… 51
2.8 Esquema equivalente del transformador. Resistencia y  reactancia de cortocircuito ……………… 53
2.8.1 Reducción de los valores de un transformador del secundario al primario …………………….. 53
2.8.2 Diagrama vectorial del transformador en carga. Secundario reducido o referido al primario ……………… 54
2.8.3 Esquema equivalente ………………………………………………………………………… 55
2.8.4 Esquema equivalente simplificado del transformador. Resistencia y reactancia de cortocircuito ……… 57
2.9 Ensayo de cortocircuito. Tensión de cortocircuito …………………………….. 58
2.9.1 Corriente de cortocircuito en un transformador …………………………………….. 62
2.9.2 Caída de tensión en un transformador. Regulación ……………………………….. 65
2.10 Pérdidas y rendimiento de un transformador …………………………………… 72
2.11 Funcionamiento en paralelo de transformadores monofásicos …………… 75
2.12 Transformadores especiales ………………………………………………………….. 81
2.12.1 Autotransformador ………………………………………………………………………….. 81
2.12.1.1 Ventajas del autotransformador …………………………………………………….. 82
2.12.1.2 Inconvenientes del autotransformador ……………………………………………. 83
2.12.1.3 Símbolos del autotransformador ……………………………………………………. 84
2.12.2 Autotransformadores de regulación …………………………………………………… 85
2.12.3 Transformadores de medida …………………………………………………………….. 86
2.12.3.1 Transformadores de tensión ………………………………………………………….. 86
2.12.3.2 Transformadores de intensidad ……………………………………………………… 86

TEMA 3. TRANSFORMADOR TRIFÁSICO DE POTENCIA …………………………… 109
3.1 Introducción ……………………………………………………………………………….. 109
3.2 Banco trifásico a base de transformadores monofásicos …………………… 109
3.3 Transformador de tres columnas …………………………………………………… 110
3.4 Funcionamiento en régimen equilibrado. Ensayos y esquema equivalente. …………….. 117
3.4.1 Ensayo de vacío ……………………………………………………………………………… 119
3.4.2 Ensayo de cortocircuito …………………………………………………………………… 121
3.4.3 Esquema equivalente ………………………………………………………………………. 127
3.5 Conexiones en los transformadores ……………………………………………….. 127
3.5.1 Desfases ………………………………………………………………………………………… 128
3.5.2 Designación de polos y bornes …………………………………………………………. 129
3.5.3 Índice de desfase …………………………………………………………………………….. 129
3.5.4 Símbolos de conexiones ………………………………………………………………….. 130
3.5.5 Aplicaciones y diferentes tipos de conexiones ……………………………………. 135
3.6 Conexión en paralelo de transformadores ………………………………………. 136
3.7 Transformador en el catálogo ……………………………………………………….. 138

TEMA 4. MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS.
PRINCIPIOS GENERALES. …………………………………………………………….. 153
4.1 Introducción ……………………………………………………………………………….. 153
4.2 La máquina rotativa elemental ………………………………………………………. 154
4.3. Máquinas rotativas clásicas. Principales características funcionales y constitución. ………… 158
4.3.1 Máquinas síncronas ………………………………………………………………………… 158
4.3.2 Máquinas de corriente continua ………………………………………………………… 160
4.3.3 Máquinas asíncronas ……………………………………………………………………….. 162
4.4 Campos magnéticos en el entrehierro de las máquinas rotativas ……….. 165
4.4.1 Campo magnético producido por un devanado monofásico  de constitución simétrica …………………. 165
4.4.1.1 Tensión magnética de entrehierro creada por una bobina diametral ……… 166
4.4.1.2 Tensión magnética de entrehierro creada por una pareja de bobinas de paso acortado. …………. 168
4.4.1.3 Tensión magnética de entrehierro creada por grupo de bobinas diametrales uniformemente distribuidas…….. 169
4.4.1.4 El caso general. Parejas de bobinas de paso acortado uniformemente distribuidas. Concepto de bobina diametral equivalente …………………… 171
4.4.2 Campos magnéticos giratorios ………………………………………………………….. 175
4.5 Fuerzas electromotrices inducidas en régimen permanente por campos magnéticos giratorios. ……………. 178

TEMA 5. MÁQUINAS ASÍNCRONAS ……………………………………………………………. 183
5.1 Introducción ……………………………………………………………………………….. 183
5.1 Aspectos constructivos ………………………………………………………………… 184
5.2 Principio de funcionamiento …………………………………………………………. 187
5.3 Modelo monofásico equivalente ……………………………………………………. 190
5.4 Balance de potencias. Modos de funcionamiento …………………………….. 194
5.5 Ensayos y determinación de parámetros para el modelo de la máquina asíncrona ………. 203
5.5.1 Medida de la resistencia del estator …………………………………………………… 203
5.5.2 Ensayo de vacío o de rotor libre ……………………………………………………….. 203
5.5.3 Ensayo de cortocircuito o de rotor bloqueado …………………………………….. 204
5.6 La máquina asíncrona como motor ………………………………………………… 206
5.7 Arranque de las máquinas asíncronas …………………………………………….. 209
5.7.1 Arranque directo …………………………………………………………………………….. 211
5.7.2 Arranque mediante inserción de impedancias en el estátor …………………… 211
5.7.3 Arranque mediante autotransformador ………………………………………………. 212
5.7.4 Arranque estrella-triángulo ………………………………………………………………. 214
5.7.5 Arranque mediante inserción de resistencias rotóricas …………………………. 216
5.7.6 Arranque electrónico (estático o “soft starter”) …………………………………… 218
5.7.7 Utilización ranuras profundas y doble jaula en el rótor ………………………… 218
5.8 Control de velocidad de la máquina asíncrona ………………………………… 219
5.9 Frenado de la máquina asíncrona ………………………………………………….. 222
5.10 Clases de servicio ……………………………………………………………………… 224
5.10.1 Tipo de servicio continuo ………………………………………………………………. 224
5.10.2 Tipo de servicio de duración limitada ………………………………………………. 224
5.10.3 Tipo de servicio periódico ……………………………………………………………… 225
5.10.4 Tipo de servicio no periódico …………………………………………………………. 229
5.10.5 Tipo de servicio para cargas distintas constantes ………………………………. 229
5.10.6 Tipo de servicio para carga equivalente …………………………………………… 230
5.11 Motores asíncronos monofásicos …………………………………………………. 230

TEMA 6. MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA ……………………………………… 237
6.1 Introducción ……………………………………………………………………………….. 237
6.2 Aspectos constructivos ………………………………………………………………… 237
6.2.1 La excitación de la máquina de corriente continua ………………………………. 239
6.2.2 El inducido de de la máquina de corriente continua …………………………….. 241
6.3 Principio de funcionamiento …………………………………………………………. 243
6.4 Reacción de inducido …………………………………………………………………… 245
6.5 El proceso de la conmutación entre delgas ……………………………………… 248
6.6 Generadores de Corriente Continua ……………………………………………….. 251
6.6.1 Generador de excitación independiente ……………………………………………… 251
6.6.2 Generador de excitación en derivación o paralelo ……………………………….. 252
6.6.3 Generador de excitación en serie ………………………………………………………. 256
6.6.4 Generador de excitación compuesta ………………………………………………….. 259
6.7 Motores de Corriente Continua …………………………………………………….. 260
6.7.1 Motor de excitación independiente y de excitación paralelo …………………. 261
6.7.2 Motor de excitación serie …………………………………………………………………. 265
6.7.3 Motor de excitación compuesta ………………………………………………………… 268

TEMA 7. MÁQUINAS SÍNCRONAS ………………………………………………………………. 273
7.1 Introducción ……………………………………………………………………………….. 273
7.2 Aspectos constructivos ………………………………………………………………… 274
7.3 Sistemas de excitación. ………………………………………………………………… 276
7.4 Principio de funcionamiento …………………………………………………………. 278
7.5 La máquina síncrona como generador ……………………………………………. 281
7.5.1 Reacción de inducido ………………………………………………………………………. 283
7.5.2 Comportamiento general y representación fasorial ……………………………… 284
7.5.2 Determinación de la impedancia síncrona del generador ……………………… 285
7.5.4 Potencia y par en la máquina síncrona como generador ……………………….. 287
7.5.5 Regulación de tensión ……………………………………………………………………… 289
7.5.6 Curvas características ……………………………………………………………………… 293
7.5.6.1 Característica exterior ………………………………………………………………….. 293
7.5.6.2 Característica de regulación …………………………………………………………. 293
7.6 La máquina síncrona como motor …………………………………………………. 294
7.6.1 Curvas características ……………………………………………………………………… 297
7.6.1.1 Característica par-velocidad …………………………………………………………. 297
7.6.1.2 Influencia de la variación de la carga …………………………………………….. 297
7.6.1.3 Influencia de la variación de la corriente de excitación ……………………. 298
7.6.2 Arranque del motor síncrono ……………………………………………………………. 299

BIBLIOGRAFÍA ……………………………………………………………………………………………. 301