Rendimiento, calentamiento y potencia. Grado IP

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  • POTENCIAS, CALENTAMIENTO, RENDIMIENTO Y

    CARACTERIZACIN DE LAS MQUINAS

    ELCTRICAS

    Miguel ngel Rodrguez Pozueta

    UNIVERSIDAD DE CANTABRIA

    DEPARTAMENTO DE INGENIERA ELCTRICA Y ENERGTICA

  • ABREVIATURAS UTILIZADAS EN EL TEXTO: c.a. Corriente alterna

    c.c. Corriente continua

    f.d.p. Factor de potencia (cos )

    f.c.e.m. Fuerza contraelectromotriz

    f.e.m. Fuerza electromotriz

    2011, Miguel Angel Rodrguez Pozueta

    Universidad de Cantabria (Espaa)

    Departamento de Ingeniera Elctrica y Energtica

    This work is licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Unported License. To view a copy of this license, visit http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ or send a letter to Creative Commons, 444 Castro Street, Suite 900, Mountain View, California, 94041, USA.

    Est permitida la reproduccin total o parcial de este documento bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-CompartirIgual 3.0 Unported que incluye, entre otras, la condicin inexcusable de citar su autora (Miguel Angel Rodrguez Pozueta - Universidad de Cantabria) y su carcter gratuito.

    Este documento puede descargarse gratuitamente desde esta Web: http://personales.unican.es/rodrigma/primer/publicaciones.htm

  • NDICE

  • NDICE

    -I-

    NDICE

    POTENCIAS, CALENTAMIENTO, RENDIMIENTO Y CARACTERIZACIN DE LAS MQUINAS ELCTRICAS

    Introduccin .. 1

    Potencias en una mquina elctrica. Prdidas ... 1

    Origen de las prdidas ....... 2

    Prdidas en el cobre PCu .... 3

    Prdidas magnticas o prdidas en el hierro PFe ... 4

    Prdidas mecnicas Pm ...... 4

    Sistemas de refrigeracin. Calentamiento y enfriamiento 5

    Clase trmica de los sistemas de aislamiento .... 7

    Carga. Funcionamiento en vaco y en reposo. Servicio .... 9

    Potencias nominal y asignada ... 10

    Servicios tipo ..... 13

    Servicio continuo. Servicio tipo S1 ... 13

    Servicio temporal o de corta duracin. Servicio tipo S2 ... 14

    Servicio intermitente peridico. Servicio tipo S3 ..... 15

    Servicio intermitente peridico con frenado elctrico. Servicio tipo S5 . 16

    Servicio ininterrumpido peridico. Servicio tipo S6 ..... 17

    Servicio con cargas y velocidades constantes diferentes. Servicio tipo S10 ....... 18

    Marcha industrial. ndice de carga ................................ 19

    Marcha industrial ...... 19

    ndice de carga ...... 21

    Clasificacin de las prdidas ......... 21

    Rendimiento .......... 23

    Definicin de rendimiento ..... 23

    Rendimiento en generadores de c.a. y transformadores. Rendimiento mximo .... 24

  • NDICE

    -II-

    Cdigos IP e IK 26

    Cdigo IP ...... 26

    Cdigo IK ...... 28

    Otros aspectos tecnolgicos .......... 29

    Sistema de refrigeracin ....... 29

    Formas constructivas ..... 29

    Tamao de la carcasa ........ 30

    Designacin de bornes ...... 30

    Ruido y vibraciones ....... 30

    Clases de rendimiento ... 30

    Compatibilidad electromagntica . 30

    Placa de caractersticas ......... 31

    Bibliografa ... 31

  • POTENCIAS, CALENTAMIENTO, RENDIMIENTO Y CARACTERIZACIN DE LAS MQUINAS ELCTRICAS

    M.A.R. Pozueta -1-

    POTENCIAS, CALENTAMIENTO, RENDIMIENTO Y CARACTERIZACIN DE LAS MQUINAS ELCTRICAS

    Miguel ngel Rodrguez Pozueta INTRODUCCIN

    Este texto comienza con el anlisis la mxima potencia que puede suministrar una mquina elctrica en unas condiciones dadas; la cual, en la mayor parte de las mquinas, depende sobre todo de la temperatura que llega a alcanzar la mquina y de la temperatura que sus materiales, especialmente los aislantes, son capaces de soportar. Esta potencia lmite no es una magnitud fija para una mquina sino que depende de sus condiciones de funcionamiento y ambientales, las cules habr que analizar y especificar a la hora de elegir la mquina que se necesita para una aplicacin dada. Para ello se pueden utilizar unas formas de funcionamiento o servicios normalizados.

    Seguidamente el texto analiza el rendimiento de una mquina elctrica y las

    magnitudes que lo afectan. Finalmente se tratan una serie de aspectos tecnolgicos que hoy en da estn

    normalizados y que tambin habr que especificar para caracterizar completamente una mquina elctrica. Entre otros, estos aspectos son: tamao, forma, grado de proteccin y disposicin de la carcasa, sistema de enfriamiento, etc.

    POTENCIAS EN UNA MQUINA ELCTRICA. PRDIDAS

    Fig. 1: Flujo de potencia en una mquina elctrica

    (PT.: Potencia total absorbida; Pu: Potencia til suministrada; Pp: Prdidas) Una mquina elctrica realiza una conversin de energa (Fig. 1). As, un motor es una

    mquina que transforma la potencia elctrica que absorbe de la red a la que est conectado su devanado inducido y la transforma en potencia mecnica de rotacin que suministra por

  • POTENCIAS, CALENTAMIENTO, RENDIMIENTO Y CARACTERIZACIN DE LAS MQUINAS ELCTRICAS

    M.A.R. Pozueta -2-

    su eje (Tabla I). En un generador la conversin es a la inversa, absorbe potencia mecnica por su eje (para lo cual ejerce un par de frenado) y suministra energa elctrica a travs de su inducido (Tabla I). En un transformador las potencias absorbida y suministrada son elctricas, pero tienen diferentes tensiones (Tabla I).

    Se denomina potencia total a la absorbida por la mquina y potencia til a la

    suministrada. Cuando alguna de estas potencias sea de tipo elctrico en corriente alterna se tratar de una potencia activa (vase la Tabla I).

    Tabla I: Potencias total y til en los diferentes tipos de mquinas elctricas

    Potencia til Pu Potencia total PT

    Motores Potencia mecnica motriz en el eje (ejerce un par motor)

    Potencia elctrica (activa en c.a.) absorbida de la red elctrica (produce una f.c.e.m.)

    Generadores Potencia elctrica (activa en c.a.) suministrada a la red elctrica (genera una f.e.m.)

    Potencia mecnica absorbida por el eje (origina un par de frenado)

    Transformadores Potencia activa suministrada por el secundario

    Potencia activa absorbida de una red elctrica por el primario

    La transformacin de energa no es perfecta, por lo que la potencia til siempre es

    inferior a la potencia total absorbida por la mquina. Esto significa que una fraccin de la potencia absorbida no se aprovecha y constituye la potencia perdida o simplemente las prdidas Pp de la mquina elctrica (Fig. 1). Por lo tanto, se verifica que:

    puT PPP += (1) Las prdidas se transforman en calor lo que provoca un calentamiento de la mquina

    y una elevacin de su temperatura, la cual se limita empleando diferentes sistemas de refrigeracin.

    ORIGEN DE LAS PRDIDAS

    Segn la causa que las origina, las prdidas que se producen en una mquina elctrica se pueden clasificar en: prdidas en el cobre, prdidas en el hierro y prdidas mecnicas (Fig. 9).

    Adems, existen las llamadas prdidas adicionales que engloban una serie de

    prdidas debidas a diferentes causas de difcil cuantificacin y que en un estudio bsico, como el que corresponde a este texto, se desprecian.

    Las prdidas adicionales se producen en el cobre y en el hierro, pero por causas diferentes a las prdidas normales, que son las que se van a explicar en los siguientes apartados. Principalmente las prdidas adicionales se deben al reparto no uniforme de la corriente en la seccin de un conductor, a la existencia de campos magnticos armnicos y a las pulsaciones de induccin magntica producidas por el ranurado.

  • POTENCIAS, CALENTAMIENTO, RENDIMIENTO Y CARACTERIZACIN DE LAS MQUINAS ELCTRICAS

    M.A.R. Pozueta -3-

    Prdidas en el cobre PCu

    Estas prdidas son debidas al efecto Joule que se produce cuando circula corriente por un conductor con resistencia elctrica (prdidas del tipo R i2). Se usa esta denominacin aunque el conductor no sea de cobre.

    Estas prdidas se pueden calcular as:

    =j

    2jjCu iRP (2)

    En la relacin (2) Rj e ij son, respectivamente, la resistencia y la corriente del devanado j. Si el devanado j est construido con un conductor de seccin sj, longitud l j y resistividad j, su resistencia vale

    j

    jjj s

    Rl

    = (3)

    La densidad de corriente J j en el conductor j es el cociente entre la corriente y la seccin del conductor:

    j

    jj s

    iJ = (4)

    Combinando las relaciones (2), (3) y (4) se obtiene finalmente la siguiente expresin:

    ( ) ( ) =

    =

    j

    2jjjj

    j

    2jj

    j

    jjCu JssJs

    P ll

    =j

    2jjjCuCu JVP (5)

    En la expresin (5) VCu j representa el volumen del conductor j. La expresin (5) seala que las prdidas en el cobre dependen del volumen del

    bobinado, de la resistividad del material conductor y, sobre todo, de la densidad de corriente. Para una mquina ya construida resulta que las prdidas en el cobre slo son

    proporcionales al cuadrado de la corriente1 (segn la relacin (2)) o, lo que es equivalente, al cuadrado de la densidad de corriente (segn la relacin (5)).

    Como dato orientativo se puede indicar que la densidad de corriente J en los

    devanados de las mquinas elctricas puede alcanzar valores de hasta 5 A/mm2 para mquinas pequeas y 3 A/mm2 para mquinas grandes, en las que la refrigeracin suele ser ms difcil.

    1 Si los conductores del devanado tienen suficiente seccin como para que el efecto piel sea apreciable, la

    frecuencia de las corrientes afecta a la resistencia de los conductores e influye en las prdidas del cobre.

  • POTENCIAS, CALENTAMIENTO, RENDIMIENTO Y CARACTERIZACIN DE LAS MQUINAS ELCTRICAS

    M.A.R. Pozueta -4-

    Prdidas magnticas o prdidas en el hierro PFe

    Las prdidas en el hierro se producen en los ncleos ferromagnticos de la mquina cuando son sometidos a la accin de campos magnticos variables con el tiempo. Estas prdidas son de tipo magntico y son debidas a la suma de las debidas a los fenmenos de la histresis (PH) y de las corrientes de Foucault (PF).

    Para reducir el valor de estas prdidas, los ncleos magnticos que estn bajo la accin

    de un campo magntico variable se construyen de un acero especial al silicio que presenta alta permeabilidad magntica, baja conductividad elctrica y cuyo ciclo de histresis presenta un rea pequea. Adems estos ncleos magnticos no son macizos, sino que se construyen apilando chapas de pequeo espesor (de 0,3 a 0,5 mm) y aisladas entre s.

    Teniendo en cuenta las expresiones que permiten calcular PH y PF se deduce que:

    FHFe PPP +=

    ( )+= 22M2FMHFeFe aBfkBfkVP (6)

    En las expresiones anteriores, , kH y kF son constantes del material ferromagntico, f es la frecuencia, BM es el valor mximo de la induccin magntica, a es el espesor de la chapas con que se construye el circuito magntico, es la conductividad elctrica (inversa de la resistividad) de dichas chapas y VFe es el volumen de material ferromagntico.

    Es evidente que en una mquina ya construida, los valores de , kH, kF, a, y VFe ya

    estn fijados y no van a cambiar. Luego, de la relacin (6) se deduce que las prdidas en el hierro PFe van a variar slo con la induccin magntica BM y con la frecuencia f. Luego, teniendo en cuenta que el exponente toma valores cercanos a 2, resulta finalmente que las prdidas en el hierro de una mquina elctrica dependen aproximadamente del cuadrado de la induccin BM y de la frecuencia f elevada a un exponente comprendido entre 1 y 2.

    Prdidas mecnicas Pm

    Las prdidas mecnicas se producen por el rozamiento del eje con los cojinetes donde se apoya, la friccin de las escobillas contra el colector -en las mquinas que poseen colector- y por el gasto de potencia del sistema de refrigeracin (que normalmente consiste en un ventilador colocado en el eje o rbol de la mquina).

    Las prdidas de rozamiento y friccin dependen aproximadamente de forma lineal

    con la velocidad mientras que las prdidas por ventilacin varan aproximadamente con el cubo de la velocidad. Por lo tanto, las prdidas mecnicas dependen de la velocidad de giro de la mquina de esta manera:

    3m nBnAP += (7) Evidentemente estas prdidas slo existen en mquinas elctricas con movimiento;

    es decir, no aparecen en los transformadores.

  • POTENCIAS, CALENTAMIENTO, RENDIMIENTO Y CARACTERIZACIN DE LAS MQUINAS ELCTRICAS

    M.A.R. Pozueta -5-

    SISTEMAS DE REFRIGERACIN. CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO

    El calor producido por las prdidas de una mquina elctrica en funcionamiento provoca una elevacin de su temperatura. Al aumentar la temperatura de un cuerpo se incrementa la cantidad de calor evacuada al exterior a travs de su superficie. Al final la temperatura aumenta hasta que en la mquina se alcanza un equilibrio trmico en el que se genera tanto calor debido a las prdidas como el que se disipa a travs de la superficie externa y, entonces, la temperatura se mantiene constante (en la prctica, segn la norma UNE-EN 60034-1 [16] se considera que una mquina elctrica ha alcanzado el equilibrio trmico cuando su temperatura no vara ms 2 K (2 grados Kelvin) por hora).

    En principio se podr aumentar la potencia que suministra una mquina elctrica -y,

    consecuentemente, las prdidas que se producen en ella- mientras que la temperatura que se alcance no deteriore los materiales con los que est construida (normalmente los elementos ms sensibles a la temperatura son los materiales aislantes). Por lo tanto, la potencia mxima que puede dar una mquina est limitada por la mxima temperatura admisible que puede soportar.

    Si a una mquina dada se le mejora el sistema de evacuacin de calor a travs de su

    superficie externa, con el mismo aumento de temperatura podr expulsar ms calor y aumentar la potencia til mxima que podr proporcionar. Esto ha llevado a la bsqueda de sistemas de refrigeracin cada vez ms eficientes a medida que se ha ido aumentando la potencia de las mquinas elctricas. En efecto, el simple aumento de la superficie externa para aumentar la transmisin de calor al exterior llevara a la construccin de mquinas de dimensiones excesivamente grandes cuando se quiere aumentar su potencia; por lo que en mquinas de potencias altas se necesitan sistemas de refrigeracin que consigan evacuar ms cantidad de calor por unidad de superficie.

    En los sistemas de refrigeracin existen uno o varios fluidos refrigerantes que

    transportan fuera de la mquina el calor producido en su interior. El fluido refrigerante primario es aquel que est en contacto directo con la mquina. En algunos casos existe un fluido refrigerante secundario que enfra, a su vez, al refrigerante primario a travs de un intercambiador de calor.

    En mquinas pequeas se coloca un ventilador en el propio eje de la mquina. Este

    ventilador mueve el aire ambiente que acta como el nico fluido refrigerante. Para facilitar esta eliminacin de calor se suele dotar a las carcasas de las mquinas de unas aletas que aumentan la superficie de intercambio de calor con el medio ambiente.

    Para potencias mayores se usan sistemas de refrigeracin en ciclo cerrado en los que

    el refrigerante primario es refrigerado mediante intercambiadores de calor en los que usualmente el refrigerante secundario es agua. Ambos fluidos refrigerantes, primario y secundario, normalmente se mueven por circulacin forzada; esto es, estn accionados por ventiladores (para refrigerantes gaseosos) o bombas (para refrigerantes lquidos). Sin embargo, en algunas ocasiones el movimiento de un fluido refrigerante se produce simplemente por conveccin natural; es decir, debido a la diferente densidad que presenta el fluido fro (ms denso) y caliente (menos denso). Esto hace que el fluido caliente ascienda y cuando se enfre descienda, establecindose finalmente una circulacin continua del mismo.

  • POTENCIAS, CALENTAMIENTO, RENDIMIENTO Y CARACTERIZACIN DE LAS MQUINAS ELCTRICAS

    M.A.R. Pozueta -6-

    En grandes alternadores se usa como refrigerante primario no el aire sino el

    hidrgeno. Este refrigerante tiene una serie de ventajas:

    1. Su movimiento requiere mucha menos energa dada su menor densidad (14 veces ms pequea que la del aire).

    2. La transmisin de calor entre la mquina y el hidrgeno es notablemente mayor que la del aire.

    3. Reduce el envejecimiento de los materiales aislantes pues no estn sometidos a la accin oxidante del aire ni tampoco al polvo ni a la humedad.

    Para prevenir riesgos de explosin debe evitarse el contacto del hidrgeno con el aire. La mezcla de aire e hidrgeno es inexplosiva (y, por lo tanto, segura) cuando el contenido de hidrgeno supera el 70%.

    (a)

    (b)

    Fig. 2: Curvas de calentamiento (a) y de enfriamiento (b) de una mquina elctrica

  • POTENCIAS, CALENTAMIENTO, RENDIMIENTO Y CARACTERIZACIN DE LAS MQUINAS ELCTRICAS

    M.A.R. Pozueta -7-

    El ltimo avance ha consistido en utilizar en las mquinas elctricas conductores huecos por cuyo interior circula directamente un fluido refrigerante que evacua el calor originado por las prdidas producidas en los conductores, las cuales son una parte importante de las prdidas totales de la mquina. Con ello se evita la barrera trmica que suponen los materiales aislantes que rodean a un conductor y que dificulta la transmisin de calor a travs de ella.

    Evidentemente el proceso de calentamiento lleva un tiempo desde que comienza hasta

    que se alcanza el equilibrio trmico. Dado que en primera aproximacin una mquina elctrica desde un punto de vista trmico se la puede considerar como un cuerpo homog-neo, la evolucin temporal de la temperatura hasta conseguir alcanzar el equilibrio trmico se puede aceptar que sigue una ley exponencial (Fig. 2a) con una constante de tiempo c.

    Cuando se detiene una mquina que haba estado funcionando con anterioridad y que

    haba aumentado su temperatura con respecto a la de su fluido refrigerante (normalmente el aire ambiente), se produce un fenmeno de enfriamiento hasta alcanzar la temperatura del refrigerante. Mediante este enfriamiento se va evacuando al exterior el calor almacenado previamente por la mquina. Este proceso sigue en el tiempo tambin una ley exponencial (Fig. 2b) que puede tener una constante de tiempo e diferente a la del calentamiento, ya que cuando la mquina est en reposo no estn funcionando sus sistemas de refrigeracin.

    En las curvas de la Fig. 2 en los ejes verticales no se indica la temperatura () de la

    mquina sino su calentamiento (). Se denomina calentamiento a la diferencia entre la temperatura de la mquina y la del fluido de refrigeracin, que usualmente es el aire ambiente. La norma UNE-EN 600034-1 [16] establece que en Espaa, para altitudes por debajo de 1000 m sobre el nivel del mar, se debe considerar que la temperatura del aire ambiente es 40 C. Por lo tanto, el calentamiento en mquinas refrigeradas por aire es igual a la diferencia de su temperatura menos 40 C.

    De lo anterior se deduce que el trmino calentamiento se va a utilizar con dos acepciones. Una es el proceso de calentamiento, por el que una mquina aumenta su temperatura, y la otra es la magnitud calentamiento que se acaba de definir.

    CLASE TRMICA DE LOS SISTEMAS DE AISLAMIENTO

    Segn la norma UNE-EN 60085 [13] un sistema de aislamiento elctrico es una estructura aislante que contiene uno o ms materiales aislantes elctricos junto con partes conductoras asociadas y que se utiliza en un dispositivo electrotcnico.

    En casi todas las mquinas elctricas la potencia que pueden suministrar est

    limitada por la temperatura que son capaces de soportar. Normalmente los materiales aislantes son los elementos ms sensibles a la temperatura y, por consiguiente, son los que limitan la potencia que puede proporcionar una mquina dada.

    A medida que pasa el tiempo un material aislante va envejeciendo y el sistema de

    aislamiento elctrico va perdiendo sus cualidades dielctricas, lo cual se ve agravado si resulta sometido a temperaturas elevadas. Es decir, los materiales aislantes y los sistemas

  • POTENCIAS, CALENTAMIENTO, RENDIMIENTO Y CARACTERIZACIN DE LAS MQUINAS ELCTRICAS

    M.A.R. Pozueta -8-

    de aislamiento elctrico tienen una vida que, de forma orientativa, se puede establecer en unos 40 aos en las mquinas grandes, 30 aos en las medianas y 20 aos en las pequeas.

    Se han estudiado y analizado los materiales aislantes utilizados en las mquinas

    elctricas para averiguar cul es la mxima temperatura que pueden soportar sin peligro de acortar su vida. Esta temperatura mxima se denomina endurancia trmica (vanse las normas UNE-EN 60085 [13] y 60034-1 [16]).

    La clase trmica de un sistema de aislamiento se designa mediante el valor numrico

    de su temperatura de utilizacin continua mxima recomendada medida en grados Celsius. Algunas de estas clases trmicas se designan tambin mediante una letra. Todas estas designaciones estn recogidas en la tabla II.

    La clase trmica de un sistema de aislamiento elctrico puede no estar directamente

    relacionada con la endurancia trmica de uno de los materiales aislantes incluidos en l. Es la combinacin de todos los elementos que constituyen el sistema de aislamiento lo que da lugar a su clase trmica.

    En la tercera columna de la tabla II se indica la temperatura mxima a la que se

    puede someter un sistema de aislamiento segn su clase trmica para que su vida no se vea reducida. En la cuarta columna de esta tabla se seala el calentamiento mximo a que se lo puede someter si el fluido refrigerante es el aire ambiente. Esta cuarta columna se obtiene restando 40 C a los valores de la columna 3.

    Tabla II: Clase trmica de los sistemas de aislamiento elctrico segn

    las normas UNE-EN 60085 y 60034-1

    CLASE TRMICA

    (C)

    LETRA DE DESIGNACIN

    TEMPERATURA MXIMA

    (C)

    CALENTAMIENTO MXIMO (*)

    (C) 90 Y 90 50

    105 A 105 65

    120 E 120 80

    130 B 130 90

    155 F 155 115

    180 H 180 140

    200 N 200 160

    220 R 220 180

    250 - 250 210 (*) Esta columna indica el calentamiento mximo en el supuesto que el fluido refrigerante sea aire ambiente

    que se encuentre a 40 C Normalmente la temperatura de los bobinados se mide mediante procedimientos que

    proporcionan el valor medio de dicha magnitud, pudiendo haber puntos calientes de la mquina donde la temperatura tiene un valor superior al medio. Por lo tanto, la norma UNE-EN 600034-1 [16] establece que debe haber un margen de seguridad de 5 a 15 C -o incluso mayor- segn los casos, entre la temperatura que se mide por estos procedimientos y la temperatura mxima indicada en la tabla II. De esta forma se garantiza que en los puntos calientes no se superen las temperaturas mximas sealadas en dicha tabla.

  • POTENCIAS, CALENTAMIENTO, RENDIMIENTO Y CARACTERIZACIN DE LAS MQUINAS ELCTRICAS

    M.A.R. Pozueta -9-

    Los materiales aislantes cuya endurancia trmica es ms baja son aquellos con mayor

    proporcin de componentes orgnicos. Por el contrario, los aislantes que aguantan temperaturas ms elevadas estn formados en mayor medida por substancias inorgnicas.

    A continuacin se citan algunos ejemplos de los aislantes cuya endurancia trmica se corresponde con las clases trmicas de los sistemas de aislamiento recogidas en la tabla II:

    90 C: Algodn, seda, papel sin impregnacin.

    105 C: Algodn, seda, papel impregnados o sumergidos en aceite.

    120 C: Fibras orgnicas sintticas. Por ejemplo: esmaltes de acetato de polivinilo, barnices de resinas alqudicas,

    130 C: Materiales a base de polister y poliimidos aglutinados mediante materiales orgnicos. Por ejemplo, los esmaltes de resinas de poliuretano.

    155 C: Materiales a base de fibra de mica, amianto y fibra de vidrio aglutinados mediante materiales orgnicos. Por ejemplo, la fibra de vidrio tratada con resinas de polister.

    180 C: Materiales a base de mica, amianto y fibra de vidrio aglutinados con siliconas de alta estabilidad trmica. Por ejemplo, el papel de mica aglomerado con siliconas.

    200 C: Materiales a base de mica, vidrio, cermica, capaces de soportar hasta 200 C.

    220 C: Materiales a base de mica, vidrio, cermica, poliimidas tipo Kapton, capaces de soportar hasta 220 C.

    250 C: Materiales a base de mica, vidrio, cermica, poliimidas tipo Kapton, capaces de soportar hasta 250 C.

    CARGA. FUNCIONAMIENTO EN VACO Y EN REPOSO. SERVICIO

    El trmino carga se utiliza en la ingeniera elctrica con varios significados diferentes:

    Por un lado, las cargas elctricas (positivas y negativas) crean campos elctricos; los cules, a su vez, ejercen fuerzas sobre ellas.

    Por otro lado, se denomina carga a un elemento que demanda potencia, que puede ser mecnica (por ejemplo, una bomba, una gra,) o elctrica (por ejemplo, un motor, una resistencia,).

    Por ltimo, la norma UNE-EN 600034-1 [16] define como carga al conjunto de los valores numricos de las magnitudes elctricas y mecnicas que caracterizan las exigencias impuestas a una mquina rotativa por un circuito elctrico o un dispositivo mecnico en un instante dado. Con este significado se usa tambin el trmino marcha.

    En este texto se va a emplear la palabra carga sobre todo de acuerdo con la ltima

    definicin; es decir, carga va a ser el conjunto de valores de las magnitudes que definen un estado de funcionamiento de una mquina elctrica. De todas estas magnitudes, la ms significativa para definir una carga es la potencia suministrada. La potencia suministrada que se suele usar en la definicin de una carga es la potencia til para los motores y generadores de corriente continua y la potencia aparente suministrada para los transformadores y generadores de corriente alterna. En este ltimo caso se prefiere usar la potencia aparente suministrada y no la potencia activa suministrada (que es la potencia til) porque las prdidas de la mquina dependen de la corriente pero no de su factor de potencia.

  • POTENCIAS, CALENTAMIENTO, RENDIMIENTO Y CARACTERIZACIN DE LAS MQUINAS ELCTRICAS

    M.A.R. Pozueta -10-

    Se dice que una mquina est en carga cuando est funcionando y suministra una potencia no nula.

    Segn la norma UNE-EN 600034-1 [16], una mquina est funcionando en vaco

    cuando est girando y su potencia de salida es nula manteniendo las otras condiciones normales de funcionamiento. As, un motor en vaco est girando alimentado a su tensin y frecuencia asignadas y con el eje libre, desacoplado de cualquier carga mecnica. Anlogamente, un generador en vaco est movido por un motor de accionamiento a su velocidad asignada, pero tiene su inducido en circuito abierto y no proporciona potencia elctrica alguna.

    La norma UNE-EN 600034-1 [16] tambin seala que una mquina est en reposo

    cuando carece de todo movimiento y de toda alimentacin elctrica o accionamiento mecnico. Es decir, cuando no recibe ni produce potencia elctrica ni potencia mecnica. (A partir de su versin de 2011 la norma UNE anterior pasa a denominar este estado indicando que la mquina est desenergizada y en reposo).

    En estos dos ltimos estados la potencia suministrada por la mquina es nula, pero en

    el reposo las prdidas son nulas (la mquina est completamente parada y desconectada) mientras que en vaco la mquina est girando y tiene algunas prdidas.

    Evidentemente cuando una mquina est en funcionamiento estar bien en carga o

    bien en vaco. Cuando est desconectada de la red y sin movimiento la mquina estar en reposo.

    Por otra parte, la norma UNE-EN 600034-1 [16] define como servicio a la

    estipulacin de la carga o cargas a la que est sometida la mquina incluyendo, en su caso, los perodos de arranque, frenado, reposo y marcha en vaco indicando sus duraciones y secuencias en el tiempo. Es decir, un servicio es la especificacin del ciclo de carga al que se ve sometida la mquina en su funcionamiento.

    POTENCIAS NOMINAL Y ASIGNADA

    Como ya se ha ido indicando en prrafos anteriores, la potencia mxima que puede proporcionar una mquina elctrica casi siempre est limitada por el calentamiento que produce, el cual no debe dar lugar a una temperatura superior a la que es capaz de soportar. Como normalmente son los aislamientos los elementos de una mquina ms sensibles al calor, esta temperatura lmite viene dada por la clase trmica de stos.

    Pero la cuestin es que en una mquina elctrica esta potencia mxima no es nica,

    pues depende de las condiciones de funcionamiento. As podemos sealar los siguientes aspectos que condicionan el valor de esta potencia mxima:

    La temperatura ambiente. La misma mquina suministrando la misma potencia puede dar lugar a una temperatura soportable por sus aislamientos cuando se encuentra situada en la intemperie de un pas nrdico con una temperatura ambiente inferior a 0 C y, sin embargo, dar lugar a temperaturas excesivas en la mquina cuando se encuentra en un desierto con una temperatura ambiente superior a 50 C.

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    M.A.R. Pozueta -11-

    La altitud sobre el nivel del mar. Si alguno de los refrigerantes de la mquina es el aire ambiente hay que tener en cuenta que su densidad disminuye con la altitud sobre el nivel del mar. Esto reduce la capacidad refrigerante del aire a medida que se aumenta la altitud y por lo tanto disminuye la potencia mxima de la mquina.

    Las dems magnitudes de la mquina que no sean dependientes de la potencia: tensin, frecuencia, Influye el valor y la calidad de estas magnitudes. Por ejemplo, en las mquinas de corriente alterna trifsica la potencia mxima, adems de estar influenciada por el valor eficaz de la tensin, tambin est afectada por su forma de onda (contenido armnico) y por el equilibrio entre fases.

    El ciclo de carga de la mquina, el cual viene especificado por su servicio. As, si se desconecta una mquina elctrica antes de llegar al equilibrio trmico -cuando la temperatura an no ha subido lo suficiente para ser daina- se la puede hacer funcionar con una potencia que de otra manera, al alcanzar el equilibrio trmico despus de haber estado funcionando ms tiempo, dara lugar a temperaturas peligrosas.

    Para dar una indicacin de la mxima potencia que es capaz de proporcionar una

    mquina elctrica antes se usaba el concepto de potencia nominal, pero en la actualidad se emplea el concepto de la potencia asignada, que es ms verstil. De todos modos, en este texto ambos conceptos se usarn prcticamente como sinnimos.

    La potencia nominal es la mxima potencia que puede suministrar la mquina sin que

    sufra temperaturas peligrosas para su integridad cuando el resto de las magnitudes (tensin, frecuencia, velocidad, factor de potencia,) tienen sus valores nominales, se encuentra a una altitud sobre el nivel del mar inferior a 1000 metros, la temperatura ambiente es 40 C y funciona en rgimen permanente o indefinido (es decir, el tiempo suficiente para alcanzar el equilibrio trmico). Adems, en el caso de mquinas de corriente alterna trifsica las tensiones deben estar equilibradas y tener un contenido armnico pequeo.

    La norma [16] incluye la definicin de valor asignado de una magnitud como un

    valor, normalmente asignado por el fabricante, para una condicin de funcionamiento especificada de la mquina. Es decir, los valores asignados son los valores de las magnitudes elctricas y mecnicas para los que el fabricante ha diseado la mquina. Entre los valores asignados est la potencia asignada. En este texto los valores asignados llevarn el subndice N.

    Pues bien, la potencia asignada para mquinas rotativas est definida en la norma

    UNE-EN 600034-1 [16] y es la mxima potencia que el fabricante de la mquina garantiza que, cuando se encuentra a una altitud sobre el nivel del mar inferior a 1000 metros y la temperatura ambiente no supera los 40 C, no da lugar a calentamientos peligrosos para un servicio dado. Adems, en el caso de mquinas de corriente alterna trifsica las tensiones deben estar equilibradas y tener un contenido armnico pequeo. Evidentemente, para especificar completamente una potencia asignada hay que indicar el servicio a que se refiere.

    De la definicin anterior se deduce que una misma mquina puede tener diferentes

    potencias asignadas dependiendo del servicio al que se refiera cada una de ellas. Una mquina tendr una potencia asignada ms alta para un servicio en el que la potencia se

  • POTENCIAS, CALENTAMIENTO, RENDIMIENTO Y CARACTERIZACIN DE LAS MQUINAS ELCTRICAS

    M.A.R. Pozueta -12-

    aplica un tiempo corto, antes de que se alcance el equilibrio trmico, y luego se la deja enfriar completamente y la misma mquina tendr una potencia asignada menor para un servicio en el que se le aplique una potencia el tiempo suficiente para alcanzar el equilibrio trmico. La potencia asignada del primer servicio dara lugar a temperaturas peligrosas si la mquina funcionara con el segundo servicio, pero es perfectamente soportable para el servicio para la que ha sido definida.

    El servicio que debe dar una mquina se puede especificar mediante los tres mtodos

    citados en el apartado 4.1 de la norma UNE-EN 600034-1 [16] y que son los siguientes:

    1. Numricamente, si la carga vara de forma conocida.

    2. Grficamente mediante curvas que muestran la evolucin de las magnitudes variables en el tiempo.

    3. Eligiendo un servicio tipo (que se definen en el siguiente apartado de este texto) entre los 10 que establece la norma que no sea menos severo que el servicio real al que se va a someter a la mquina. Es decir, habr que analizar la forma en que va a funcionar la mquina y elegir el servicio tipo normalizado que ms se aproxime a esa forma de funcionamiento y que no produzca calentamientos inferiores al servicio real.

    Si no se especifica otro servicio se sobreentiende que la potencia asignada que indica el fabricante corresponde al servicio continuo S1 (ver el apartado siguiente) con lo que la potencia asignada coincide con la antigua potencia nominal.

    La potencia asignada para transformadores est definida en la norma UNE-EN

    60076-1 [5] y se refiere a una carga permanente en la que se alcanza el equilibrio trmico. El tipo de potencia que es la potencia asignada viene recogido en las normas (en el

    apartado 5.5 de la norma UNE-EN 600034-1 [16] -para mquinas rotativas- y en el apartado 4.1 de la norma UNE-EN 60076-1 [5] -para transformadores-) y depende del tipo de mquina:

    En generadores de c.c. la potencia asignada es potencia elctrica en bornes del inducido, se mide en W, kW o MW y se designa PN.

    En generadores de c.a. la potencia asignada es potencia elctrica aparente en bornes del inducido, se mide en VA, kVA o MVA y se designa SN.

    En motores la potencia asignada es potencia mecnica en el eje, se mide en W, kW o MW (antes tambin se usaban los caballos de vapor) y se designa PN.

    En transformadores la potencia asignada es potencia elctrica aparente en bornes del primario o del secundario, se mide en VA, kVA o MVA y se designa SN.

    Se dice que una mquina funciona a plena carga cuando todas las magnitudes de la mquina toman sus valores asignados, especialmente la potencia que es igual a la potencia asignada. Una mquina est sobrecargada si est proporcionando una potencia superior a la asignada.

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    M.A.R. Pozueta -13-

    SERVICIOS TIPO

    La norma UNE-EN 60034-1 [16] establece 10 servicios tipo que se designan S1, S2, y S10, respectivamente, y que se agrupan en 5 categoras (para ms informacin remitimos al lector a la citada norma [16]). Aunque estos servicios tipo han sido definidos bsicamente para motores, algunas de ellos tambin son aplicables a generadores. Seguidamente se da un resumen de estos servicios tipo:

    1. Servicio continuo (S1): Carga constante durante el tiempo suficiente para que se establezca el equilibrio trmico.

    2. Servicio temporal o de corta duracin (S2): Carga constante durante un tiempo inferior al necesario para alcanzar el equilibrio trmico seguido de un tiempo de reposo en el que se alcanza la temperatura del refrigerante (con un margen de 2 K).

    3. Servicios peridicos: Sucesin de ciclos de servicios idnticos. No se alcanza equilibrio trmico durante el calentamiento. Se subdividen en:

    - Servicios intermitentes peridicos (S3, S4, S5): Cada ciclo incluye un tiempo con carga (carga constante y, en algunos casos, con arranques y/o frenado) y otro de reposo.

    - Servicios ininterrumpidos peridicos (S6, S7, S8): En cada ciclo no se incluye un tiempo de reposo (aunque, en algunos casos, existe un tiempo de marcha en vaco).

    4. Servicio con variaciones no peridicas de carga y de velocidad (S9): La carga y la velocidad tienen variaciones no peridicas. A veces incluye sobrecargas superiores a la plena carga.

    5. Servicio con cargas y velocidades constantes diferentes (S10): Consta de un nmero especificado de valores diferentes de carga (algunas pueden ser la marcha en vaco y/o el reposo) y, en su caso, de velocidad. Durante cada una de estas combinaciones carga/velocidad se alcanza el equilibrio trmico.

    La norma [16] proporciona para cada servicio tipo las curvas de la carga, de las prdidas, de la temperatura y, en algunos casos, de la velocidad de la mquina que sirven para definirlos mejor. Seguidamente vamos a comentar algunos de los servicios tipo mediante estas curvas. Esto facilitar al lector el estudio de esta norma si quiere profundizar ms en este tema.

    Servicio continuo. Servicio tipo S1

    En el servicio tipo S1 la carga se mantiene constante el tiempo suficiente para que se alcance el equilibrio trmico durante el calentamiento.

    As, en la Fig. 3 se observa que tanto la carga P (que en los motores ser igual a la

    potencia til Pu) como las prdidas Pp que produce permanecen constantes todo el tiempo. Por lo tanto, la temperatura aumenta exponencialmente, como se indic en la Fig. 2a, y toma un valor mximo mx igual al correspondiente al equilibrio trmico.

    La potencia asignada para este servicio tipo sera aquella potencia P para la que la

    temperatura mxima coincidiera con la clase trmica de su aislamiento.

  • POTENCIAS, CALENTAMIENTO, RENDIMIENTO Y CARACTERIZACIN DE LAS MQUINAS ELCTRICAS

    M.A.R. Pozueta -14-

    Servicio temporal o de corta duracin. Servicio tipo S2

    Fig. 4: Servicio S2

    Fig. 3: Servicio S1

    (En la norma UNE-EN 60034-1 [16] se denomina Pv a Pp)

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    M.A.R. Pozueta -15-

    En el servicio tipo S2 la carga se mantiene constante un tiempo corto para que se no

    alcance el equilibrio trmico. Despus se deja la mquina en reposo para que se enfre hasta alcanzar el equilibrio trmico con el fluido refrigerante con un margen de 2 K (2 grados Kelvin).

    As, en la Fig. 4 se observa que tanto la carga P como las prdidas Pp que produce la

    mquina permanecen constantes durante una parte del tiempo y se anulan despus. Por lo tanto, la temperatura aumenta exponencialmente, como se indic en la Fig. 2a, pero antes de que se alcance el equilibrio trmico se produce la desconexin de la mquina y despus se la deja enfriar completamente hasta alcanzar la temperatura del fluido refrigerante. Por lo tanto, en este servicio tipo la temperatura mxima mx es inferior a la que se alcanzara si se dejase funcionar la mquina hasta alcanzar el equilibrio trmico durante el calentamiento.

    Es evidente que la potencia asignada de una mquina elctrica para el servicio tipo

    S2 es mayor que para el servicio tipo S1, pues en el servicio tipo S2 admite una carga P mayor (y consecuentemente unas prdidas Pp mayores) para alcanzar la misma temperatura mxima mx que en el servicio tipo S1.

    Servicio intermitente peridico. Servicio tipo S3

    El servicio S3 (Fig. 5) es un servicio que se repite peridicamente siendo Tc su

    periodo. Como en todos los servicios peridicos no se alcanza el equilibrio trmico

    Fig. 5: Servicio S3

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    M.A.R. Pozueta -16-

    durante el calentamiento. Dentro de los servicios peridicos, los servicios intermitentes peridicos incluyen dentro de cada ciclo un tiempo de reposo.

    En este servicio cada ciclo consta de un tiempo de funcionamiento con carga

    constante y un tiempo de reposo (ntese en la Fig. 5 que durante el reposo no hay prdidas). En este servicio, el ciclo es tal que la intensidad de arranque no influye de forma apreciable en el calentamiento.

    Servicio intermitente peridico con frenado elctrico. Servicio tipo S5

    Este es otro servicio intermitente peridico, luego consta de ciclos que se repiten con

    un periodo Tc y dentro de cada ciclo hay un tiempo de reposo. No se alcanza el equilibrio trmico en el calentamiento.

    Como se aprecia en la Fig. 6 cada ciclo de este servicio consta de un tiempo

    apreciable de arranque, un tiempo de carga constante, un tiempo de frenado elctrico y un tiempo de reposo.

    En la Fig. 6 el arranque se manifiesta porque al conectar la carga, estando la mquina

    previamente en reposo, hay un momento inicial de carga alta y, sobre todo, de unas prdidas elevadas que suben la temperatura de la mquina con una constante de tiempo alta. Esto es debido a que la corriente de arranque de las mquinas elctricas es muy alta, varias veces superior a la intensidad asignada.

    Fig. 6: Servicio S5

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    M.A.R. Pozueta -17-

    En el funcionamiento a carga constante la mquina produce unas prdidas menores que en el arranque por lo que se enfra con respecto a la temperatura que alcanz durante el arranque, a pesar de que sigue produciendo calor.

    Al final del funcionamiento a carga constante la mquina se detiene no slo

    desconectndola, sino aplicndole un sistema de frenado elctrico. Esto se manifiesta en la Fig. 6 porque aparece una potencia til negativa (frenado) que da lugar a unas prdidas muy elevadas, superiores an a las del arranque, que producen una rpida subida de temperatura.

    En el tiempo de reposo la mquina est parada y no hay potencia til ni se producen

    prdidas. En consecuencia la temperatura disminuye.

    Servicio ininterrumpido peridico. Servicio tipo S6

    El servicio tipo S6 (Fig. 7) es un servicio que tambin se repite peridicamente siendo Tc su periodo. Como en todos los servicios peridicos no se alcanza el equilibrio trmico durante el calentamiento. Dentro de los servicios peridicos, los servicios ininterrumpidos peridicos no incluyen dentro de cada ciclo un tiempo de reposo, aunque s puede haber un tiempo de funcionamiento en vaco.

    En este servicio cada ciclo consta de un tiempo de funcionamiento con carga

    constante, en el que la intensidad de arranque no influye de forma apreciable en el calentamiento, y un tiempo de marcha en vaco (ntese en la Fig. 5 que durante el vaco no hay potencia til pero s hay prdidas).

    El servicio tipo S6 es muy parecido al servicio tipo S3 en el que el tiempo se reposo

    se ha cambiado por un tiempo de marcha en vaco.

    Fig. 7: Servicio S6

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    M.A.R. Pozueta -18-

    Servicio con cargas y velocidades constantes diferentes. Servicio tipo S10

    Este servicio consiste en la aplicacin sucesiva de varias cargas constantes distintas, cada una de las cules acta el tiempo suficiente para alcanzar el equilibrio trmico. La velocidad de giro n de la mquina puede ser distinta para cada una de estas cargas.

    Alguna de la cargas puede tener valor nulo; es decir, corresponder a un funcionamiento en vaco o en reposo.

    Este servicio tipo est representado en la Fig. 10, en la que a las habituales curvas de

    P, Pp y en funcin del tiempo se ha aadido una curva que muestra la evolucin temporal de la velocidad n de la mquina.

    Para este servicio se escoge una carga de referencia Pref que en servicio continuo S1 da lugar a la temperatura ref. Algunas de las carga del servicio S10 son superiores a Pref (aunque no deben superar 1,15 veces el valor de Pref) y, consiguientemente, la temperatura de la mquina es mayor que ref durante una parte del tiempo, aunque tambin habr momentos en que esta temperatura es inferior a ref. El hecho de que se la temperatura supere el valor ref va a originar una reduccin de la vida de la mquina en el servicio tipo S10 con respecto a la que corresponde al servicio S1. Esta disminucin de la vida trmica esperada de la mquina se puede calcular mediante el mtodo explicado en la norma [16].

    Fig. 8: Servicio S10

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    M.A.R. Pozueta -19-

    La designacin completa de los servicios tipo S3 a S10, segn la norma UNE-EN 60034-1 [16], exige el indicar varias magnitudes: el periodo Tc (que usualmente es de 10 minutos), el factor de marcha (la proporcin del tiempo en que la mquina est en carga dentro de cada ciclo con respecto al periodo Tc del ciclo), los momentos de inercia del motor y de la carga, etc.

    MARCHA INDUSTRIAL. NDICE DE CARGA Marcha industrial

    Se dice que una mquina de corriente alterna funciona con una marcha industrial si est funcionando en rgimen permanente y se dan estas condiciones:

    1. La tensin se mantiene constante e igual a la asignada, su forma de onda es sinusoidal y, en el caso trifsico, las tres fases estn equilibradas.

    2. La frecuencia es constante e igual a la asignada (50 Hz en Europa y 60 Hz en Amrica).

    Hay muchas marchas industriales que se diferencian entre s por la potencia que proporciona la mquina en cada una de ellas. Este tipo de marcha es la ms habitual en el funcionamiento de las mquinas elctricas y entre ellas hay dos especialmente significativas:

    La marcha en vaco en la que la mquina funciona con la tensin y frecuencia asignadas y la potencia que proporciona la mquina es nula.

    La marcha asignada en la que la mquina funciona con la tensin y frecuencia asignadas y la potencia que proporciona la mquina es la asignada.

    A partir de ahora cuando este texto diga que una mquina est funcionando en marcha industrial quiere indicar que, aunque vare la potencia, siempre funciona con marchas industriales porque su tensin y su frecuencia siempre tienen su valor asignado.

    El funcionamiento ms frecuente de una mquina elctrica es en marcha industrial

    suministrando una potencia comprendida entre los lmites impuestos por los estados en vaco (potencia nula) y asignado (potencia asignada).

    En todas las marchas industriales de una mquina se dan estas circunstancias:

    En las mquinas de c.a., salvo que la corriente sea apreciablemente superior a la asignada (es decir, cuando la potencia supera bastante a la potencia asignada con lo que la mquina est sobrecargada), apenas existe diferencia entre los valores de la tensin en bornes V y la f.e.m. E de las fases del inducido. Teniendo en cuenta lo que se indic al estudiar las f.e.m.s [27] se deduce que:

    cteBctectefycteV

    fN44,4EVMM

    Mb ==

    ==

    = (8)

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    M.A.R. Pozueta -20-

    Una mquina elctrica en marcha industrial conserva siempre el mismo valor de la tensin V y de la frecuencia f (los valores asignados) para todas la cargas. Por otra parte, el nmero de espiras N y el factor de bobinado b son constantes para una mquina dada. Por consiguiente, se deduce que en marcha industrial una mquina elctrica conserva prcticamente constantes los valores del flujo por polo y de la induccin magntica en el entrehierro para todas las cargas.

    El hecho de que en marcha industrial para todas las cargas haya la misma induccin magntica y la misma frecuencia hace que las prdidas debidas a la histresis magntica PH y a las corrientes de Foucault PF tengan siempre el mismo valor (vase la relacin (6)). Por consiguiente, en marcha industrial la mquina tiene las mismas prdidas magnticas o prdidas en el hierro PFe para todas las cargas:

    ctePcteP

    cteP

    ctef

    cteBFe

    F

    HM =

    =

    =

    =

    = (9)

    En una mquina de c.a. en marcha industrial sucede que para todas las cargas su

    velocidad apenas va a variar (ver la ecuacin (10)). Esto se debe a que la velocidad de sincronismo n1 va a ser constante -por serlo la frecuencia f- y a que las mquinas de alterna funcionan a la velocidad de sincronismo (mquinas sncronas) o a una velocidad poco variable y prxima a la de sincronismo (mquinas de induccin). El hecho de que la velocidad se mantenga prcticamente constante para todas las cargas da lugar a que (segn la relacin (7)) en todas ellas prcticamente se tengan las mismas prdidas de tipo mecnico Pm. Por tanto, en marcha industrial la mquina tiene las mismas prdidas mecnicas Pm para todas las cargas:

    ctePctencten

    ctef

    p

    f60n

    m11 =

    =

    = (10)

    En resumen: Las mquinas de alterna funcionan en marcha industrial cuando estn

    alimentadas a la tensin y frecuencia asignadas.

    En todas las marchas industriales de una mquina elctrica esta tiene siempre los mismos valores (con un pequeo margen de variacin) de flujo por polo (M), induccin magntica (BM), velocidad (n), prdidas en el hierro (PFe) y prdidas mecnicas (Pm).

    Las marchas industriales ms destacadas son las marchas en vaco y con carga asignada.

  • POTENCIAS, CALENTAMIENTO, RENDIMIENTO Y CARACTERIZACIN DE LAS MQUINAS ELCTRICAS

    M.A.R. Pozueta -21-

    ndice de carga

    El ndice de carga o factor de utilizacin C es el cociente entre la carga de la mquina y su potencia asignada. Hay que tener en cuenta que estas potencias son la potencia mecnica en el eje en los motores y la potencia elctrica (potencia aparente en corriente alterna) en los generadores y transformadores.

    Por consiguiente, en un motor el ndice de carga se obtiene as:

    N

    u

    P

    PC = (Motor) (11a)

    Mientras que en un generador de corriente alterna o en un transformador el ndice de

    carga se calcula as:

    NS

    SC = (11b)

    (Generador c.a. o transformador) La potencia aparente S es proporcional al producto de la tensin V por la corriente I.

    En marcha industrial la tensin V es constante e igual a la asignada. Luego, en este caso sucede que el ndice de carga tambin es igual al cociente entre la corriente absorbida I y la corriente asignada IN:

    NNN

    N

    N I

    I

    IV

    IV

    S

    SC =

    == (11c)

    (Generador c.a. o transformador con marcha industrial)

    CLASIFICACIN DE LAS PRDIDAS

    Fig. 9: Clasificacin de las prdidas de una mquina elctrica

  • POTENCIAS, CALENTAMIENTO, RENDIMIENTO Y CARACTERIZACIN DE LAS MQUINAS ELCTRICAS

    M.A.R. Pozueta -22-

    Las prdidas que se producen en una mquina elctrica estn reflejadas en la Fig. 9 y

    se pueden clasificar atendiendo a dos criterios: su origen y su variacin con la carga. Como ya se ha indicado en un apartado anterior, las prdidas se pueden clasificar por

    su origen de la siguiente manera (Fig. 9): Prdidas en cobre, PCu.

    Prdidas en el hierro, PFe.

    Prdidas mecnicas, Pm.

    En consecuencia, de acuerdo con esta clasificacin se obtiene que:

    mFeCup PPPP ++= (12)

    La clasificacin de las prdidas por su variacin con la carga se va a analizar cuando

    la mquina est funcionando siempre en marcha industrial; es decir, alimentada a tensin y frecuencia asignadas. En este caso, los cambios de carga dan lugar a variaciones en la corriente absorbida, lo cual afecta al valor de las prdidas en el cobre, mientras que -segn se dedujo en el apartado dedicado a la marcha industrial- las prdidas en el hierro y mecnicas siempre tienen aproximadamente el mismo valor.

    Por consiguiente, atendiendo a su variacin con la carga las prdidas se pueden

    clasificar de esta manera (Fig. 9): Prdidas fijas, Pf, que son las prdidas cuyo valor apenas vara de una carga a

    otra. Evidentemente, en marcha industrial estas prdidas son la suma de las del hierro PFe y mecnicas Pm (Fig. 9):

    mFef PPP += (13) Prdidas variables, Pv, que son las prdidas que varan con la carga de la

    mquina. En marcha industrial estas prdidas son las del cobre que varan proporcionalmente al cuadrado de la corriente (Fig. 9):

    Cuv PP = (14)

    Luego, si en condiciones asignadas las prdidas variables valen PvN y la corriente es IN, funcionando en marcha industrial se cumplir que:

    vN

    2

    Nv

    2

    NvN

    v PI

    IP

    I

    I

    P

    P

    =

    = (15)

    Por lo tanto, de acuerdo con esta clasificacin se obtiene que:

    vfp PPP += (16)

  • POTENCIAS, CALENTAMIENTO, RENDIMIENTO Y CARACTERIZACIN DE LAS MQUINAS ELCTRICAS

    M.A.R. Pozueta -23-

    RENDIMIENTO Definicin de rendimiento

    El concepto de rendimiento proviene de la Mecnica y se define como el cociente entre la potencia til y la potencia total:

    T

    u

    P

    P= (17a)

    Teniendo en cuenta la relacin (1), que se deduce de la Fig. 1, se pueden obtener

    otras expresiones del rendimiento equivalentes a la (17a) y que se muestran a continuacin:

    u

    ppu

    u

    P

    PPP

    P

    +=

    +=

    1

    1 (17b)

    T

    p

    T

    pT

    P

    P

    P

    PP=

    = 1 (17c)

    El rendimiento de las mquinas elctricas es bastante elevado, lo que conlleva que

    los valores de la potencia til Pu y de la potencia total PT son muy similares. Esto significa que, cuando se intentan obtener las prdidas Pp experimentalmente, su determinacin por diferencia entre PT y Pu (vase la relacin (1)) da errores apreciables a poco error que se cometa al medir Pu y PT. Normalmente, se prefiere realizar ensayos para medir experimentalmente las prdidas Pp de la mquina y obtener el rendimiento mediante la aplicacin de una de las relaciones (17b) o (17c). A su vez, las prdidas Pp se pueden determinar mediante un ensayo que las obtenga en forma global o mediante una serie de ensayos que van midiendo cada tipo de prdidas por separado para proceder a sumarlas posteriormente (vase la norma UNE-EN 60034-2-1 [14]).

    Teniendo en cuenta la relacin (12) (vase la Fig. 9), de la frmula (17b) se deduce la

    siguiente expresin:

    CumFeu

    u

    PPPP

    P

    +++= (18a)

    Por otra parte, de las expresiones (16) y (17b) se obtiene que:

    vfu

    u

    PPP

    P

    ++= (18b)

  • POTENCIAS, CALENTAMIENTO, RENDIMIENTO Y CARACTERIZACIN DE LAS MQUINAS ELCTRICAS

    M.A.R. Pozueta -24-

    Rendimiento en generadores de c.a. y transformadores. Rendimiento mximo

    En los transformadores y generadores de corriente alterna funcionando en marcha industrial se verifica la relacin (11c). En este caso, de la expresin (15) se deduce que:

    vN2

    v PCP = (19)

    Teniendo presente la relacin (11b) se demuestra que:

    ( ) == cosSCcosSP Nu (20) Luego, partiendo de la frmula (18b) el rendimiento en este caso se puede expresar

    de esta manera:

    vN

    2fN

    N

    PCPcosSC

    cosSC

    ++

    = (21)

    La frmula (21) indica que el rendimiento de estas mquinas vara en funcin del

    factor de potencia cos y del ndice de carga C (el cual, a su vez, depende de la potencia aparente S). En la Fig. 10 se muestran dos curvas -cada una de ellas ha sido obtenida mediante la relacin (21) con un factor de potencia constante y diferente de la otra curva- en las que se aprecia la variacin del rendimiento en funcin de la carga.

    Fig. 10: Curvas del rendimiento ( ) en funcin del ndice de carga (C) o de la potencia aparente (S) para varios factores de potencia (cos )

  • POTENCIAS, CALENTAMIENTO, RENDIMIENTO Y CARACTERIZACIN DE LAS MQUINAS ELCTRICAS

    M.A.R. Pozueta -25-

    Observando la Fig. 10 se pueden extraer varias conclusiones:

    El rendimiento se reduce drsticamente para valores pequeos de C.

    Para un mismo valor de C el rendimiento es mayor cuanto mayor es el factor de potencia (f.d.p.).

    Independientemente del f.d.p. el rendimiento mximo (mx) se produce siempre para la misma potencia aparente (Smx) a la que corresponde el ndice de carga ptimo (Copt).

    El rendimiento mximo es mayor cuanto mayor es el f.d.p. El mayor de todos los rendimientos mximos se produce cuando el factor de potencia vale 1.

    El ndice de carga ptimo (Copt) se obtiene calculando el mximo de la expresin

    (21) supuesto el f.d.p. constante. Operando de esta manera se deduce que, sea cual sea el factor de potencia, cuando el rendimiento es mximo se cumple siempre la condicin de rendimiento mximo de una mquina elctrica: el rendimiento es mximo cuando las prdidas fijas igualan a las prdidas variables.

    Condicin de rendimiento mximo: vf PP = (22)

    Luego, teniendo en cuenta la relacin (19), el ndice de carga ptimo se calcula as:

    vN2optf PCP =

    vN

    fopt P

    PC = (23)

    Partiendo de (11b) se obtiene que:

    Noptmx SCS = (24)

    El rendimiento mximo, que es funcin del f.d.p., se calcula sustituyendo la

    relacin (23) en la frmula (21) y teniendo en cuenta, adems, la condicin (22) y la relacin (24):

    vN

    2optfNopt

    Noptmx

    PCPcosSC

    cosSC

    ++

    =

    fmx

    mxmx P2cosS

    cosS

    +

    =

    (25)

    De todo lo anterior se pueden deducir una serie de consecuencias prcticas:

    Se debe evitar el funcionamiento de la mquina con cargas pequeas porque el rendimiento sera pequeo.

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    M.A.R. Pozueta -26-

    Se debe procurar que la mquina funcione con un ndice de carga prximo al ptimo (Copt) para obtener un rendimiento mejor.

    Se debe elegir una mquina elctrica cuya potencia asignada no sea demasiado elevada para el servicio a la que se destina, ya que trabajara con un ndice de carga reducido y su rendimiento sera bajo.

    Si cos 1 > cos 2 puede suceder que el rendimiento mximo para cos 2 sea inferior a un rendimiento diferente del mximo para cos 1.

    CDIGOS IP E IK

    Cdigo IP

    El cdigo IP es una manera de especificar el grado de proteccin de las envolventes de cualquier material elctrico (armarios, cuadros, carcasas de mquinas elctricas, etc.). Este cdigo indica la proteccin que presenta la envolvente contra la penetracin de objetos slidos y de agua en su interior, as como la proteccin de las personas contra el contacto con los elementos en tensin y/o movimiento situados en el interior de la envolvente.

    El cdigo IP para las mquinas elctricas viene definido por la norma UNE-EN

    60034-5 [8]. Este cdigo consiste en las letras IP (Abreviatura de International Protection) seguida de dos cifras. Opcionalmente pueden aadirse una o dos letras suplementarias a continuacin de la segunda cifra caracterstica para indicar informacin adicional.

    La primera cifra caracterstica indica la proteccin que presenta la carcasa frente a la

    entrada de objetos slidos, segn se muestra en la tabla III. Esta cifra tiene realmente un doble significado. Por un lado seala la proteccin que brinda la envolvente a la entrada de partculas, polvo, etc. que podran daar su interior (tercera columna de la tabla III). Por otro, indica la proteccin de las personas o de sus herramientas contra el contacto de elementos en tensin elctrica o en movimiento en el interior de la mquina (cuarta columna de la tabla III). En efecto, cuanto ms cerrada sea la envolvente ms difcil es que entren dentro de la mquina partculas slidas y tambin, ms difcil es que accidentalmente, una persona introduzca un dedo, una mano, una herramienta, etc. dentro de la mquina, con el consiguiente riesgo para su integridad fsica. Como se aprecia en la tabla III, cuanto mayor es la primera cifra caracterstica del cdigo IP la carcasa presenta mayor proteccin a la entrada de cuerpos slidos y al contacto de las personas con elementos peligrosos del interior de la mquina.

    La segunda cifra caracterstica indica la proteccin de envolvente de la mquina

    contra la entrada de agua a su interior. Cuanta ms alta sea esta cifra mayor proteccin brinda la carcasa contra la entrada de agua.

    As, por ejemplo, una mquina con grado de proteccin IP53 tiene una carcasa que

    protege contra el polvo y el contacto con elementos del interior y que protege contra la entrada de agua slo cuando sta cae en forma de lluvia con una inclinacin con la vertical inferior a 60.

    Estas dos cifras deben interpretarse por separado. As, si una norma indica que para

    una aplicacin dada la mquina debe tener como mnimo un IP55, una mquina con IP64

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    no valdra. En efecto, si bien el nmero 64 es superior a 55, si se compara cifra a cifra se observa que la primera cifra es superior a la requerida (6 es mayor que 5), pero la segunda cifra es demasiado pequea (4 es inferior a 5) y la mquina con IP64 no tendra suficiente proteccin contra la entrada de agua.

    Cuando no es necesaria una cifra caracterstica ser sustituida por la letra X (XX

    si se omiten las dos cifras). As, si una norma seala que para una aplicacin dada la mquina debe tener como mnimo un IP5X, indica que el IP debe tener su primera cifra caracterstica igual o superior a 5, pero que no introduce ninguna indicacin sobre la segunda cifra caracterstica, la cual puede adoptar cualquier valor.

    Tabla III: Grados de proteccin indicados por la primera cifra caracterstica

    Cifra Descripcin abreviada

    Grado de proteccin del equipo contra la entrada

    de cuerpos slidos

    Significado para la proteccin de

    personas

    Tipo de proteccin proporcionada por la

    envolvente

    Contra el acceso a partes peligrosas

    de:

    0 No protegida Sin proteccin particular (No protegido)

    1 Protegida contra los cuerpos slidos de ms de 50 mm de

    Cuerpos slidos con un dimetro superior a 50 mm

    una gran superficie del cuerpo humano, por ejemplo la mano

    2 Protegida contra los cuerpos slidos de ms de 12 mm de

    Cuerpos slidos con un dimetro superior a 12 mm

    dedos u objetos anlogos que no sobrepasen 80 mm de longitud

    3 Protegida contra cuerpos slidos de ms de 2,5 mm de

    Cuerpos slidos con un dimetro superior a 2,5 mm

    herramientas o hilos de dimetro superior a 2,5 mm

    4 Protegida contra cuerpos slidos de mas de 1 mm de

    Cuerpos slidos con un dimetro superior a 1 mm

    alambres, hilos o cintas de espesor superior a 1 mm

    5 Protegida contra la penetracin de polvo

    No se impide totalmente la entrada de polvo, pero s que el polvo entre en cantidad suficiente tal que llegue a perjudicar el funcionamiento satis-factorio del equipo

    alambre

    6 Totalmente estanco al polvo Ninguna entrada de polvo alambre

    Para las cifras 5 y 6 existe proteccin total contra el contacto con las partes en tensin o con las piezas en movimiento, interiores a la envolvente de la mquina, o aproximacin a las mismas.

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    M.A.R. Pozueta -28-

    Tabla IV: Grados de proteccin indicados por la segunda cifra caracterstica

    Cifra Descripcin abreviada Grado de proteccin del equipo contra el agua

    Tipo de proteccin proporcionada por la envolvente

    0 No protegida Sin proteccin particular

    1 Protegida contra la cada vertical de gotas de agua La cada vertical de gotas de agua no debern tener efectos perjudiciales

    2 Protegida contra la cada de gotas de agua con una inclinacin mxima de 15

    Las cadas verticales de gotas de agua no debern tener efectos perjudiciales cuando la envolvente est inclinada hasta 15 con respecto a la posicin normal

    3 Protegida contra la lluvia fina (pulverizada)

    El agua pulverizada de lluvia que cae en una direccin que forma un ngulo de hasta 60 con la vertical, no deber tener efectos perjudiciales

    4 Protegida contra las proyecciones de agua

    El agua proyectada en todas las direcciones sobre la envolvente no deber tener efectos perjudiciales

    5 Protegida contra los chorros de agua

    El agua proyectada con la ayuda de una boquilla, en todas las direcciones, sobre la envolvente, no deber tener efectos perjudiciales

    6 Protegida contra fuertes chorros de agua o contra la mar gruesa

    Bajo efectos de fuertes chorros o con mar gruesa, el agua no deber penetrar en la envolvente en cantidades perjudiciales

    7 Protegida contra los efectos de la inmersin

    Cuando se sumerge la envolvente en agua en unas condiciones de presin y con una duracin determinada, no deber ser posible la penetracin de agua en el interior de la envolvente en cantidades perjudiciales

    8 Protegida prolongada contra la inmersin

    El equipo es adecuado para la inmersin prolongada en agua bajo las condiciones especificadas por el fabricante. NOTA: Esto significa normalmente que el equipo es rigurosamente estanco. No obstante, para cierto tipo de equipos, esto puede significar que el agua pueda penetrar pero slo de manera que no produzca efectos perjudiciales

    Cdigo IK

    Antes el cdigo IP inclua una tercera cifra caracterstica que hoy en da se utiliza en un cdigo independiente, el cdigo IK. El cdigo IK para las mquinas elctricas viene definido por la norma UNE-EN 50102 [2]. Este cdigo consiste en las letras IK seguidas de un nmero de dos cifras (la primera es un cero cuando el nmero es inferior a 10) y sirve para informar de la resistencia de la envolvente a los golpes.

    En la tabla V se muestra la energa de impacto que debe poder resistir la carcasa

    segn su cdigo IK. Cunto mayor es el cdigo IK ms resistente a los golpes es la carcasa de una mquina elctrica. El cdigo IK va desde el cdigo IK00 (carcasa sin ninguna garanta en cuanto a la proteccin a los golpes) al IK10 (mxima proteccin a los golpes).

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    M.A.R. Pozueta -29-

    Ntese que, a diferencia del cdigo IP, las dos cifras del cdigo IK forman un nico

    nmero que debe ser tomado globalmente, no cifra a cifra.

    Tabla V: Correspondencia entre el cdigo IK y la energa de impacto

    Cdigo IK

    IK00 IK01 IK02 IK03 IK04 IK05 IK06 IK07 IK08 IK09 IK10

    Energa de impacto (Julios)

    No protegido segn esta norma

    0,15 0,2 0,35 0,5 0,7 1 2 5 10 20

    OTROS ASPECTOS TECNOLGICOS

    Para caracterizar completamente una mquina elctrica no slo hay que indicar sus valores asignados, el servicio y los cdigos IP e IK. Hay una serie de aspectos tecnolgicos, como la forma y el tamao de la carcasa, el sistema de refrigeracin, etc. que el fabricante indica en sus catlogos y en la placa de caractersticas y cuya denominacin est recogida en una serie de normas.

    Seguidamente se va dar una breve enumeracin de algunos de estos aspectos tecnolgicos y se indican las normas donde estn recogidos para que el lector interesado pueda acudir a ellas y ampliar la informacin.

    Sistema de refrigeracin

    Para las mquinas rotativas la norma UNE-EN 60034-6 [3] recoge el denominado cdigo IC que indica los refrigerantes utilizados para refrigerar la mquina y la constitucin de su sistema de enfriamiento.

    La norma UNE-EN 60076-2 [6] para transformadores en bao de aceite y la norma UNE-EN

    60076-11 [10] para transformadores de tipo seco muestran la denominacin a emplear para designar los refrigerantes y el sistema de refrigeracin de estas mquinas.

    Formas constructivas

    Para las mquinas rotativas la norma UNE-EN 60034-7 [4] recoge el denominado cdigo IM que indica los tipos de construccin y las disposiciones de montaje. Por lo tanto, mediante este cdigo se indican entre otros aspectos constructivos:

    La posicin del eje: horizontal o vertical.

    El sistema de fijacin de la carcasa (patas o bridas) y la posicin de ste.

    El nmero de cojinetes de la mquina elctrica.

    Si el eje sobresale por uno o por ambos extremos de la mquina.

    La posicin donde se coloca la caja de bornes.

    Este cdigo tiene dos variantes: cdigo I (designacin alfanumrica) y cdigo II (designacin numrica); las cules se describen en la norma UNE-EN 60034-7 [4].

  • POTENCIAS, CALENTAMIENTO, RENDIMIENTO Y CARACTERIZACIN DE LAS MQUINAS ELCTRICAS

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    Tamao de carcasa

    Los tamaos de las carcasas de las mquinas elctricas estn normalizados. As, la norma UNE-EN 50347 [7] proporciona las dimensiones y la designacin de las carcasas para motores de induccin trifsicos. Para la designacin del tamao de estas carcasas se toma como dato de referencia:

    En mquina con patas: la altura del eje; esto es, la distancia entre el centro del eje y el plano de fondo de las patas.

    En mquinas con bridas: el dimetro del crculo de agujeros de fijacin.

    Designacin de bornes

    Los extremos de los devanados estn conectados a unos terminales o bornes ubicados en la caja de bornes que, a su vez, se coloca sobre la carcasa de la mquina.

    La designacin de estos bornes vara segn el tipo de devanado y se ajusta a la siguiente normativa:

    UNE-EN 60034-8 [12] para las mquinas rotativas.

    UNE 20158 [1] para transformadores.

    Ruido y vibraciones

    Las normas UNE-EN 60034-9 [11] y UNE-EN 60034-14 [9] fijan, respectivamente, los lmites de los niveles de potencia acstica y los lmites de la intensidad de vibracin en desplazamiento, velocidad y aceleracin para las mquinas elctricas rotativas.

    Clases de rendimiento

    La norma UNE-EN 60034-30 [15] clasifica por su rendimiento a los motores asncronos trifsicos de jaula de 2, 4 y 6 polos, tensin asignada de hasta 1000 V y cuyas potencias estn com-prendidas entre 0,75 y 375 kW. Para ello define el cdigo IE (International Energy-efficiency Class).

    Compatibilidad electromagntica

    Los dispositivos elctricos y electrnicos pueden producir interferencias electromagnticas (EMI) de unos sobre otros. Entras interferencias se transmiten por radiacin o por conduccin a travs de los conductores de la red elctrica y pueden producir un funcionamiento anmalo de algunos dispositivos o, incluso, su deterioro.

    Para evitar los efectos perniciosos de las EMI se han establecido normas de compatibilidad

    electromagntica (EMC) que por un lado limitan las interferencias que puede generar un dispositivo y por otro establecen sus lmites de inmunidad.

    Como se indica en la norma UNE-EN 60034-11 [10], los transformadores son elementos

    pasivos tanto en la emisin como en la inmunidad de perturbaciones electromagnticas. En general las mquinas rotativas son inmunes a las EMI, pero son generadoras de estas

    emisiones, las cules deben ser limitadas para garantizar una correcta compatibilidad electromagntica.

    Fig. 11: Designacin de los bornes de un devanado estatrico trifsico segn la norma UNE-EN 60034-8

  • POTENCIAS, CALENTAMIENTO, RENDIMIENTO Y CARACTERIZACIN DE LAS MQUINAS ELCTRICAS

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    La compatibilidad electromagntica de las mquinas elctricas rotativas de tensiones asignadas no superiores a 1000 V en c.a. o 1500 V en c.c. se analiza en el apartado 13 de la norma UNE-EN 60034-1 [16].

    PLACA DE CARACTERSTICAS

    La placa de caractersticas es una placa fijada a la carcasa y grabada de forma indeleble que recoge los datos ms importantes de una mquina elctrica. Una mquina puede tener una o varias placas de caractersticas.

    En la/s placa/s de caractersticas se indican los aspectos tecnolgicos ms

    importantes: los valores asignados, el cdigo IP, la clase trmica de los aislamientos, y, adems, otro tipo de informacin: el fabricante, el nmero de serie, el cdigo de la mquina en el catlogo del fabricante, el ao de fabricacin,...

    Existen normas donde se indican los datos que debe/n recoger la/s placa/s de

    caractersticas segn el tipo de mquina elctrica de que se trate:

    El apartado 10 de la norma UNE-EN 60034-1 [16] para las mquinas rotativas.

    El apartado 7 de la norma UNE-EN 60076-1 [5] para transformadores.

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