Contenido

Acerca del autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Prólogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Agradecimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Capítulo 1: CIRCUITOS MAGNÉTICOS Y CONVERSIÓN DE ENERGÍA . . . . . .

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1.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Materiales magnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1. Diamagnetismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2. Paramagnetismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3. Ferromagnetismo y ciclo de histéresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Leyes de los circuitos magnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Imanes permanentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2. Circuitos magnéticos con imanes permanentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.3. Imán permanente de volumen mínimo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5. Energía y coenergía magnética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6. Pérdidas de energía en los núcleos ferromagnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.1. Pérdidas por histéresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.2. Pérdidas por corrientes de Foucault . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.3. Consecuencias tecnológicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7. Circuitos magnéticos excitados con corriente alterna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.1. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.2. Circuito eléctrico equivalente de una bobina con de hierro alimentada con c.a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *1.7.3. Corriente de excitación en una bobina con núcleo de hierro alimentada con c.a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.8. Conversión de energía en sistemas magnéticos con movimiento de traslación. Electroimanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.9. Conversión de energía en sistemas magnéticos con movimiento de rotación. Máquinas eléctricas rotativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.9.1. Sistemas magnéticos de rotación alimentados con una sola fuente. Motores de reluctancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.9.2. Sistemas magnéticos de rotación alimentados con dos fuentes . . . . . . . . Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biografías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 3 3 4 4 8 23 23 25 27 28 32 32 33 36 40 40 43 45 49 65 65 69 84 91 93 v

vi

CONTENIDO

Capítulo 2: PRINCIPIOS GENERALES DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS . . . . 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8.

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Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elementos básicos de las máquinas eléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Colector de delgas y colector de anillos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Devanados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pérdidas y calentamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Potencia asignada o nominal. Tipos de servicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rendimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F.m.m. y campo magnético en el entrehierro de una máquina eléctrica . . . . . . 2.8.1. Campo magnético y f.m.m. producida por un devanado concentrado de paso diametral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.2. F.m.m. producida por un devanado distribuido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.3. F.m.m. producida por un devanado trifásico. Campos giratorios. Teorema de Ferraris . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.4. Relación entre un campo alternativo y un campo giratorio. Teorema de Leblanc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9. F.e.m. inducida en un devanado de una máquina eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9.1. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *2.9.2. Factores que afectan a la f.e.m. inducida en un devanado . . . . . . . . . . *2.9.3. Armónicos de f.e.m.: origen y eliminación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *2.10. Par electromagnético en las máquinas eléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.11. Clasificación general de las máquinas eléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.12. Análisis cualitativo de las principales máquinas eléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.12.1. Transformadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.12.2. Máquinas síncronas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.12.3. Máquinas de c.c. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.12.4. Máquinas asíncronas o de inducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.12.5. Motores de c.a. de colector. Motores universales . . . . . . . . . . . . . . . . . Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biografías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

136 141 141 145 150 156 161 164 164 165 167 168 170 171 177 179

Capítulo 3: TRANSFORMADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

181

3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6.

3.7. 3.8. 3.9. 3.10. 3.11.

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principales aspectos constructivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principio de funcionamiento de un transformador ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funcionamiento de un transformador real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Circuito equivalente de un transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ensayos del transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.1. Ensayo de vacío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.2. Ensayo de cortocircuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Caída de tensión en un transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pérdidas y rendimiento de un transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Corriente de excitación o de vacío de un transformador. Armónicos de la corriente de vacío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Corriente de conexión de un transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transformadores trifásicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

95 97 101 106 108 114 118 121 121 128 130

181 182 193 199 202 207 208 210 218 224 226 227 229

CONTENIDO

vii

3.11.1. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *3.11.2. Armónicos en las corrientes de excitación de transformadores trifásicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.11.3. Conexiones de los transformadores trifásicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.12. Acoplamiento en paralelo de transformadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.13. Autotransformadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.14. Transformadores con tomas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.14.1. Tomas de regulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.14.2. Elementos de conmutación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.15. Transformadores de medida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.15.1. Transformadores de tensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.15.2. Transformadores de corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *3.16. Apéndice: Transformaciones especiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.16.1. Transformación trifásica a bifásica y viceversa. Conexión Scott . . . . 3.16.2. Transformación trifásica a hexafásica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biografías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

234 239 249 258 259 260 261 263 263 265 268 268 270 271 282 285

Capítulo 4: MÁQUINAS ASÍNCRONAS O DE INDUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . .

287

4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5.

4.6. 4.7.

*4.8.

4.9.

4.10. 4.11.

*4.12.

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aspectos constructivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principio de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Circuito equivalente del motor asíncrono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ensayos del motor asíncrono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.1. Ensayo de vacío o de rotor libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2. Ensayo de cortocircuito o de rotor bloqueado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Balance de potencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Par de rotación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.1. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.2. Tipos de funcionamiento de la máquina asíncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama del círculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.2. Deducción del diagrama circular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.3. Elección de las escalas en el diagrama del círculo . . . . . . . . . . . . . . . . . Arranque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9.1. Arranque de los motores en jaula de ardilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9.2. Arranque de los motores de rotor bobinado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Motores de doble jaula de ardilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regulación de velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.11.1. Regulación por variación del número de polos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.11.2. Regulación por variación del deslizamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.11.3. Regulación por variación en la frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dinámica del motor asíncrono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.12.1. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.12.2. Tiempo de arranque de un motor asíncrono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.12.3. Pérdidas de energía en régimen dinámico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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287 289 292 301 308 308 310 315 322 322 326 345 345 345 349 350 352 356 366 370 370 372 372 374 374 375 376

viii

CONTENIDO

4.13. Motor de inducción monofásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.13.1. Principio de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.13.2. Circuito equivalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.13.3. Arranque de los motores de inducción monofásicos . . . . . . . . . . . . . . *4.14. Funcionamiento del motor asíncrono trifásico alimentado con tensiones desequilibradas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *4.15. Máquinas asíncronas especiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15.1. Regulador de inducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15.2. Selsyns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15.3. Motor de inducción lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *4.16. Apéndice: El par de rotación de un motor asíncrono desde el punto de vista físico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biografías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

406 410 419 422

Capítulo 5: MÁQUINAS SÍNCRONAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

425

5.1. 5.2. 5.3. 5.4.

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aspectos constructivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistemas de excitación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principio de funcionamiento de un alternador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1. Funcionamiento en vacío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.2. Funcionamiento en carga. Reacción de inducido . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5. Diagrama fasorial de un alternador. Regulación de tensión . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6. Análisis lineal de la máquina síncrona: el circuito equivalente . . . . . . . . . . . . . 5.6.1. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.2. Método de Behn-Eschenburg. Impedancia síncrona . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.3. Característica de vacío y cortocircuito de la máquina síncrona. Determinación de la impedancia síncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7. Análisis no lineal de la máquina síncrona: Método de Potier o del f.d.p. nulo. Cálculo de regulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *5.8. Regulación de tensión en las máquinas síncronas de polos salientes. Teoría de las dos reacciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.9. Funcionamiento de un alternador en una red aislada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.9.1. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.9.2. Funcionamiento del regulador de velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.10. Acoplamiento de un alternador a la red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.11. Potencia activa y reactiva desarrollada por una máquina síncrona acoplada a una red de potencia infinita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.12. Funcionamiento de una máquina síncrona conectada a una red de potencia infinita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.12.1. Efectos de la variación de excitación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.12.2. Efectos de la variación del par mecánico (regulador de velocidad) . . 5.13. Funcionamiento en paralelo de alternadores de potencias similares . . . . . . . . . 5.14. Motor síncrono: Características y aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *5.15. Diagrama de límites de funcionamiento de una máquina síncrona . . . . . . . . . . *5.16. Transitorio de cortocircuito de una máquina síncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

379 379 381 383 392 402 402 403 404

425 427 430 431 431 434 438 442 442 443 446 455 459 464 464 466 472 477 480 480 482 488 495 499 505

CONTENIDO

ix

Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biografías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

509 516 520

Capítulo 6: MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

523

6.1. 6.2. 6.3. 6.4. 6.5. 6.6. 6.7. 6.8. 6.9.

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aspectos constructivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principio de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reacción del inducido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conmutación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Generadores de c.c.: Aspectos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Generadores de c.c.: Características de servicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Motores de c.c.: Aspectos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Motores de c.c.: Características de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9.1. Motores de c.c. con excitación independiente y derivación. Sistema Ward-Leonard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9.2. Motores de c.c. con excitación serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9.3. Motores de c.c. con excitación compuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *6.10. Motor de c.c.: Métodos de frenado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *6.11. Funcionamiento de una máquina de c.c. en cuatro cuadrantes . . . . . . . . . . . . . . 6.12. Motor monofásico de c.a. con colector de delgas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.13. Motores de c.c. sin escobillas (brushless motors) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biografías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

523 525 528 533 541 546 549 559 563 567 573 576 580 585 587 590 592 596 599

Capítulo 7: ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

601

7.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2. Dispositivos semiconductores de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.2. Diodos rectificadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.3. Tiristor o rectificador controlado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.4. Tiristor de apagado por puerta (GTO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.5. Transistor bipolar de unión (BJT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.6. Transistor MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.7. Transistor bipolar de puerta aislada IGBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.8. Tiristor MCT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.9. Funcionamiento ideal de los dispositivos semiconductores . . . . . . . . . 7.3. Convertidores electrónicos de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4. Rectificadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.1. Rectificador monofásico media onda con carga resistiva . . . . . . . . . . 7.4.2. Rectificador monofásico media onda (onda completa) con carga inductiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.3. Rectificador monofásico de doble onda con carga resistiva . . . . . . . . 7.4.4. Rectificador monfásico de doble onda (onda completa) con carga inductiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

601 602 602 605 607 610 611 612 613 614 614 615 615 618 618 622 628 632

x

CONTENIDO

7.4.5. Rectificadores trifásicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5. Rectificadores controlados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5.2. Principio de funcionamiento de un rectificador con control de fase . 7.5.3. Convertidor monofásico en puente completo con carga inductiva . . . 7.5.4. Convertidor trifásico en puente completo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6. Reguladores de corriente alterna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.2. Regulador con control de fase y carga resistiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.3. Regulador con control de fase y carga inductiva . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.4. Regulador on-off . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7. Convertidores c.c. a c.c. (Choppers o troceadores) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7.1. Chopper directo o reductor de tensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7.2. Chopper inverso o elevador de tensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7.3. Choppers de dos y cuatro cuadrantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.8. Convertidores c.c. a c.a. (onduladores o inversores) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.8.1. Inversores monofásicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.8.2. Inversor trifásico en puente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.8.3. Control de la tensión de salida en un inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.9. Convertidores c.a. a c.a. (cicloconvertidores) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.10. Accionamientos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.10.1. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.10.2. Funcionamiento en cuatro cuadrantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.10.3. Dinámica de la combinación motor-carga. Estabilidad . . . . . . . . . . . . 7.11. Accionamientos eléctricos con motores de c.c. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.11.1. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.11.2. Regulación de la velocidad de motores de c.c. por medio de rectificadores controlados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.11.3. Regulación de la velocidad de motores de c.c. por medio de choppers . *7.11.4. Regulación de motores de c.c. mediante realimentación . . . . . . . . . . . 7.12. Accionamientos eléctricos con motores de c.a. asíncronos . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.12.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.12.2. Regulación de velocidad por control de la tensión de línea aplicada al estátor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.12.3. Regulación de velocidad por control de la tensión y frecuencia de línea. Control escalar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.12.4. Regulación de velocidad por control estático de una resistencia adicional en el rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.12.5. Regulación de velocidad por recuperación de la potencia de deslizamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *7.12.6. Control vectorial de motores asíncronos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.13. Accionamientos eléctricos con motores de c.a. síncronos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.13.1. Regulación de velocidad de motores síncronos en lazo abierto . . . . . 7.13.2. Regulación de velocidad de motores síncronos en lazo cerrado. Motor síncrono autopilotado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biografías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

634 642 642 643 644 653 662 662 662 663 665 666 667 671 672 675 675 677 679 685 687 687 688 689 693 693 695 700 703 707 707 708 710 721 724 728 739 742 743 746 752 756

CONTENIDO

Apéndice 1: MÁQUINAS ELÉCTRICAS: ASPECTOS HISTÓRICOS . . . . . . . . . . . .

xi

1. Los orígenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Generadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Generadores de c.c. o dinamos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Generadores de c.a. (alternadores) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Motores de c.c. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Motores asíncronos o de inducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Motores síncronos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Motores especiales de c.a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5. Motores especiales de c.c. y otros motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Transformadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. Desarrollos tecnológicos en la construcción de máquinas eléctricas . . . . . . . . . . . . 6. Las máquinas eléctricas y la electrónica de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1. Desarrollo de componentes electrónicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2. Control electrónico de máquinas eléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1. Regulación de velocidad de motores de c.c. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2. Regulación de velocidad de motores de c.a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

759 759 760 760 763 765 765 766 768 769 769 770 772 773 773 775 775 776 778

Apéndice 2: REPASO DE SERIES DE FOURIER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

781

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Función periódica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Series trigonométricas de Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ortogonalidad del sistemas trigonométrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Evaluación de los coeficientes de Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simetría de la función f (t) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Coeficientes de Fourier de ondas simétricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

781 781 782 783 783 784 785

Apéndice 3: EL SISTEMA POR UNIDAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1. Magnitudes normalizadas. El sistema por unidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Cambios de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Sistemas trifásicos. Análisis por unidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

791 794 797

Índice alfabético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

801

Índice biográfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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