lunes, 2 de junio de 2008

Máquinas Eléctricas Rotativas

I. Fundamentos Generales de las Máquinas Eléctricas 11

1. Conversión de Energía Eléctrica 13

1.1. Conceptos básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2. Convertidor electromecánico elemental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3. Curvas características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.4. Balance energético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.5. Sumario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.6. Ejemplos resueltos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.7. Ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2. Fundamentos de Conversión 43

2.1. Energía y coenergía en el campo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2. Balance energético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3. Ecuaciones internas del convertidor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.4. Ecuaciones de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.5. Generalización de las ecuaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.6. Sumario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.7. Ejemplos resueltos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.8. Ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

3. Circuitos Acoplados Magnéticamente 81

3.1. Definiciones básicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.2. Ecuaciones de tensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.3. Coeficientes de acoplamiento y dispersión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.4. El transformador como circuito acoplado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.5. Sumario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.6. Ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

4. Máquinas Eléctricas Rotativas 97

4.1. Características comunes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.2. Bobinas ortogonales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3. Múltiples pares de polos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.4. La máquina generalizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.5. Cálculo del par eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.6. Par eléctrico y fuerzas magnetomotrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.7. El campo magnético rotatorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.8. La máquina trifásica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.9. Transformación de Coordenadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.10. Transformación de coordenadas ®¯ - dq . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.11. Ecuaciones generales en coordenadas ®¯dq . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.12. Sumario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.13. Ejemplo resuelto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.14. Ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

II. Máquinas Eléctricas Rotativas 133

5. Máquinas de Conmutador 135

5.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.2. Ecuaciones de las máquinas de conmutador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.3. Características de operación de las diferentes conexiones . . . . . . . . . . . . 147
5.4. Control de velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.5. Valores nominales y bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.6. Reacción de armadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.7. Saturación de la máquina de corriente continua . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.8. La conmutación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.9. Pérdidas en las máquinas de corriente continua . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.10. Controladores electrónicos de velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5.11. Máquinas especiales de corriente continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
5.12. Sumario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
5.13. Ejemplos resueltos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.14. Ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

6. La Máquina de Inducción 193

6.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.2. Modelo de la máquina de inducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6.3. Vectores espaciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
6.4. Modelo en régimen permanente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
6.5. Ecuaciones de la máquina de inducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
6.6. Característica par-deslizamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
6.7. Puntos de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
6.8. El punto nominal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
6.9. Sistema en por unidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
6.10. Determinación de los parámetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
6.11. Condiciones de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
6.12. Características normalizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
6.13. Diagrama de círculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
6.14. Sumario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
6.15. Ejemplos resueltos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
6.16. Ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252

7. Operación de la Máquina de Inducción 259

7.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
7.2. Arranque de motores de inducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
7.3. El rotor de jaula de ardilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
7.4. Corriente de arranque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
7.5. Régimen desequilibrado de las máquinas de inducción . . . . . . . . . . . . . 268
7.6. Armónicas temporales en la máquina de inducción . . . . . . . . . . . . . . . 278
7.6.1. Sistema de terceras armónicas 3!e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
7.6.2. Sistema de quintas armónicas 5!e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
7.6.3. Sistema de séptimas armónicas 7!e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
7.6.4. Sistema armónico de orden ”h” h!e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
7.7. Armónicas espaciales en la máquina de inducción . . . . . . . . . . . . . . . . 285
7.8. La máquina de inducción bifásica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
7.9. Análisis transitorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
7.10. Control de velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
7.10.1. Control tensión-frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
7.10.2. Control por campo orientado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
7.10.3. Control directo de par . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
7.11. Sumario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
7.12. Ejemplos resueltos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
7.13. Ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327

8. La Máquina Sincrónica 333

8.1. Descripción de la máquina sincrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
8.2. Modelo de la máquina sincrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
8.3. Transformación a vectores espaciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
8.4. Transformación a coordenadas rotóricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
8.5. Transformación de Park . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
8.6. Régimen permanente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
8.7. Diagrama fasorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
8.8. Potencia y par eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
8.9. Convenciones de la máquina sincrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
8.10. Valores nominales de la máquina sincrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
8.11. Lugares geométricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
8.12. Circuito equivalente de la máquina sincrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
8.13. Curvas en ”V ” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
8.14. Medición de las reactancias permanentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
8.15. Análisis de la máquina sincrónica considerando la saturación . . . . . . . . . . 370
8.16. La máquina sincrónica en el sistema eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
8.17. Sumario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
8.18. Ejemplos resueltos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
8.19. Ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388

9. Régimen Transitorio de la Máquina Sincrónica 397

9.1. Transitorios electromagnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
9.1.1. Solución mediante autovalores-autovectores . . . . . . . . . . . . . . . 399
9.1.2. Solución mediante la transformada de Laplace . . . . . . . . . . . . . 401
9.2. Cortocircuito brusco de la máquina sincrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
9.3. Interpretación física de las inductancias transitorias . . . . . . . . . . . . . . . 405
9.4. Tensión de armadura en circuito abierto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
9.5. Sistema adimensional de unidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
9.6. Análisis transitorio con resistencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
9.7. Constantes de tiempo en circuitos acoplados magnéticamente . . . . . . . . . . 414
9.8. Análisis transitorio aproximado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
9.9. Pequeñas oscilaciones de la máquina sincrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
9.10. Efecto del devanado amortiguador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
9.11. Análisis subtransitorio aproximado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
9.12. Determinación de las inductancias transitorias y subtransitorias . . . . . . . . . 429
9.13. Régimen desequilibrado de la máquina sincrónica . . . . . . . . . . . . . . . . 432
9.14. Estabilidad de la máquina sincrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
9.15. Diagrama de bloques de la máquina sincrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
9.16. Sumario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
9.17. Ejemplo resuelto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
9.18. Ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450


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1 comentario:

German dijo...

Excelente libro, lo recomiendo 100% a quienes están estudiando Maquinas eléctricas