ingeniería eléctrica

 MAQUINAS ROTANTES

Las máquinas eléctricas rotantes tienen la particularidad de convertir energía eléctrica en mecánica o viceversa, eventualmente también pueden transformar energía eléctrica de un tipo en otro aprovechando el movimiento.

Frente a los problemas de utilización se representa la máquina desde el punto de vista circuital, y frecuentemente se utiliza un modelo puramente eléctrico, donde la carga mecánica corresponde a un resistor en el que se disipa energía, o una fuerza electromotriz (o contraelectromotriz).

En cambio para la construcción, para el proyecto, es necesario considerar modelos más próximos a la realidad física, no son aceptables drásticas simplificaciones o esquematizaciones generales como se indican en el párrafo anterior.

Para proyectar una máquina se deben tener muy en cuenta sus características físicas, es entonces necesario hacer cierta clasificación de las máquinas rotantes para identificar condiciones de similitud que permitan extender los criterios de diseño entre máquinas semejantes.

Una primera clasificación que puede hacerse es por su función:

• Generador, máquina que produce energía eléctrica por transformación de la energía mecánica.
• Motor, máquina que produce energía mecánica por transformación de la energía eléctrica.
• Convertidor rotativo que convierte energía eléctrica de una forma a otra (cambiando frecuencia, convirtiendo corriente alterna en continua etc.) máquina muy utilizada en el pasado.

Si se clasifican por la fuente de energía que las alimenta o que representan se tiene:

• Máquinas de corriente continua.
• Máquinas de corriente alterna.

y algunas de estas últimas por las características de su velocidad se clasifican en:

• Máquinas asincrónicas.
• Máquinas sincrónicas.

A partir de este capítulo nos ocuparemos de tres máquinas rotantes en las que se reúnen todos los conceptos principales de proyecto de cualquier otra, y en el siguiente orden:

• Iniciaremos con el alternador como ejemplo de máquina sincrónica.
• Continuaremos con el motor asincrónico.
• Y finalmente la máquina de corriente continua (generador o motor).

Las máquinas rotantes utilizadas en los sistemas eléctricos tienen características que son objeto primero de especificación, luego de garantías y finalmente de comprobación mediante ensayos.

El proyecto que se debe realizar parte de las condiciones de especificación, las condiciones de servicio y operación y una vez materializado se lo somete a ensayos que tienen por objeto demostrar que se satisfacen las condiciones de garantía.

2.2 PARAMETROS NOMINALES

Son datos que en base a las condiciones de servicio definen las prestaciones que puede entregar la máquina en condiciones especificadas.

Se presentan como el conjunto de valores numéricos de las magnitudes eléctricas y mecánicas asociadas con su duración y secuencia asignadas a la máquina por el constructor e indicadas en la chapa de características.

El comprador tiene la responsabilidad de especificar con toda precisión cuando corresponde, las condiciones de servicio a las cuales estará sometida la máquina.

2.2.1 Potencia nominal

Valor numérico de la potencia indicada en las características nominales.

Este valor establece las bases de diseño, de construcción y de garantías.

Generalmente cuando no se especifica otra cosa se supone que la máquina es de servicio continuo, es decir, funciona con carga constante hasta alcanzar el equilibrio térmico.

Para las máquinas rotantes se establecen dos regímenes extremos de funcionamiento, en vacío y a plena carga.

Funcionamiento en vacío es la condición de funcionamiento de una máquina con carga nula (el resto de condiciones de operación son las nominales).

Funcionamiento a plena carga es cuando se tiene el mayor valor de carga indicada para una máquina funcionando a la potencia nominal.

2.2.2 Servicio

La indicación del valor (fracción de la potencia nominal en por ciento) de las cargas a las cuales la máquina está sometida indicando la duración y la secuencia en el tiempo.

Como este tema es de aplicación casi exclusivamente para motores será tratado en el capítulo de máquinas asincrónicas.

2.2.3 Momento de inercia

El momento de inercia (dinámico) de un cuerpo alrededor de un eje es la suma (integral) de los productos de sus masas elementales por el cuadrado de sus distancias radiales al eje.

Esta es una característica de importancia fundamental para el estudio de los transitorios mecánicos a los que estará sometida la máquina.

2.2.4 Constante de tiempo térmica equivalente

La constante de tiempo térmica equivalente es la constante de tiempo que, en reemplazo de otras individuales, determina aproximadamente la evolución de la temperatura en un arrollamiento a consecuencia de una variación de corriente en escalón.

Este parámetro es distinto según como se enfríe la máquina, manteniéndose la ventilación correspondiente a las condiciones normales de funcionamiento será igual tanto en calentamiento como en enfriamiento.

Esta constante describe aproximadamente, la evolución de la temperatura en función de la carga. Generalmente se la determina a partir de la curva de enfriamiento.

2.3 CONDICIONES NORMALES DE SERVICIO

Una máquina en una instalación cualquiera está sometida a ciertas condiciones impuestas por el ambiente, y que se denominan condiciones de servicio.

Las normas fijan condiciones normales de servicio e indican que criterios utilizar cuando la instalación se aparta de ellas y en particular se refieren a:

• Altitud de instalación.
• Temperatura del ambiente en que la máquina funciona.

El calor generado por las pérdidas que se producen en la máquina es cedido al ambiente.

Para cada estado térmico de la máquina el calor disipado depende de la temperatura ambiente y de la densidad del aire refrigerante, y ambas varían con la altura siendo entonces muy importante el estudio de las condiciones que no son las normales.

Por otra parte a cada estado térmico de la máquina corresponden distintas temperaturas para cada uno de sus puntos internos, los elementos más sensibles a la temperatura son los aislamientos que por lo tanto fijan la máxima temperatura admisible (en estado transitorio y permanente).

Las normas fijan para cada parte de la máquina en función de la clase de aislamiento las máximas sobreelevaciones de temperatura admisibles (diferencia entre la máxima temperatura de la parte que se observa y la temperatura ambiente).

2.4 REFRIGERACION

Refrigeración es la operación por la cual el calor proveniente de las pérdidas producidas en la máquina es cedido a un medio refrigerante incrementando su temperatura.

En una máquina con refrigeración a circuito abierto el fluido refrigerante se renueva en forma permanente, entra fluido a temperatura menor y se devuelve al ambiente a una temperatura mayor.

Se denomina fluido de refrigeración a un líquido o gas por medio del cual se extrae el calor.

En las máquinas con refrigeración a circuito cerrado, donde este fluido no se envía al exterior, es necesario un intercambiador de calor y la presencia de un segundo fluido a menor temperatura que recibe el calor del primer fluido.

Cuando la máquina arranca partiendo de fría inicia un proceso transitorio de calentamiento, inicialmente el calor generado se acumula en los materiales que constituyen la máquina, la temperatura se incrementa hasta que se alcanza el equilibrio térmico (régimen permanente) en el cual todo el calor generado es disipado.

Equilibrio térmico es la condición alcanzada convencionalmente (de acuerdo con las normas) cuando las temperaturas de las distintas partes de la máquina sometida a un ensayo de calentamiento no varían más de 2 grados centígrados durante una hora.

2.4.1 Modos de refrigeración de las máquinas rotativas

Según el circuito en que se encuentra el fluido de refrigeración se denomina:

• Fluido primario, líquido o gas que estando a menor temperatura que una parte de la máquina y en contacto con ella, retira el calor producido.
• Fluido secundario, líquido o gas que estando a menor temperatura que el fluido primario, retira el calor cedido por este último por medio de un intercambiador de calor.
• Fluido final, entendiéndose como tal aquel al cual se transfiere finalmente el calor (en máquinas abiertas o autoventiladas, el fluido final es también el fluido primario).

Se denomina medio remoto al líquido o gas separado de la máquina del cual se conduce el refrigerante y/o al cual se descarga por medio de caños o conductos de entrada y/o salida, o en el cual se instala un intercambiador de calor externo.

Un intercambiador de calor es un componente que transfiere calor de un medio refrigerante a otro manteniendo ambos medios separados.

Sistema de refrigeración de emergencia (stand-by) es un dispositivo de refrigeración que se provee adicionalmente con el sistema de refrigeración normal y que se utiliza cuando no está disponible el sistema normal.

Componente integral es aquella parte del circuito de refrigeración que está presente en la parte interna de la máquina y que para ser reemplazado se debe desarmar parcialmente la máquina.

Componente montado de un sistema refrigerante es la parte que se monta en la máquina y forma parte de ella, pero que puede ser reemplazado sin actuar sobre la parte principal de la máquina.

Componente separado de un sistema de refrigeración es aquel que está asociado con la máquina pero que no está montado integralmente con ella (puede estar ubicado en el medio envolvente o remoto de la máquina).

Componente de circulación dependiente es aquel que su funcionamiento está supeditado o ligado con la rotación del rotor de la máquina principal (ventilador o bomba conducido por esta máquina).

Componente de circulación independiente es aquel que no está vinculado con la rotación del rotor de la máquina principal (tiene un motor de impulsión propio).

La norma IEC 34-6 que se refiere a máquinas eléctricas rotantes define los métodos de refrigeración y establece una designación para los distintos circuitos utilizados.

La designación consiste en las letras IC seguidas por números y letras que representan respectivamente la disposición del circuito, el refrigerante utilizado y el modo de mover el medio refrigerante.

El número que indica la disposición del circuito es válido para los circuitos primario y secundario.

Cada circuito está designado por una letra que indica el tipo de refrigerante seguido por un número que indica como se realiza el movimiento del mismo.

La letra y el número para el circuito primario se ubican en primer lugar, en segundo lugar para el circuito secundario.

Se definen dos formas de designación, una simplificada, la otra completa. La designación completa se utiliza principalmente cuando no tiene aplicación la simplificada.

Se denomina disposición del circuito la forma como el fluido circula para extraer el calor de la máquina.

La forma más simple es aquella en que el fluido es guiado desde el medio que rodea la máquina a su interior y vuelve al medio que la rodea (circuito abierto).

Otro modo consiste en que el fluido primario circula en un circuito cerrado de la máquina y cede el calor a través de la superficie externa de la máquina (lisa o con nervaduras).

Otra disposición es aquella en que el fluido primario circula en un circuito cerrado y cede el calor a través de un intercambiador que puede ser integral, montado o separado de la máquina.

La naturaleza del fluido de refrigeración está identificada por una de las siguientes letras:

Letra característica	Refrigerante
A	Aire
F	Freón
H	Hidrógeno
N	Nitrógeno
C	Dióxido de carbono
W	Agua
U	Aceite
S	Otro refrigerante
Y	No definido

Cuando se adopta la designación simplificada y se utiliza como refrigerante el aire, la letra característica puede omitirse.

Se utiliza la letra "S" cuando el refrigerante se define en otro lugar, por ejemplo en la documentación técnica o comercial.

Cuando no está definido el fluido se utiliza temporariamente la letra "Y" que finalmente debe ser reemplazada por la letra correspondiente.

En ciertos turbogeneradores de gran potencia donde los problemas de refrigeración se tornan críticos, los arrollamientos son refrigerados en modo directo haciendo circular el fluido dentro de los conductores que son huecos.

En otros casos se utilizan tubos o canales que forman parte integral del arrollamiento en el interior de la aislación principal.

Normalmente los arrollamientos se refrigeran en forma indirecta, es decir, el flujo térmico se establece desde las fuentes de calor (arrollamientos) hacia las superficies en contacto con el fluido.