Máquinas Eléctricas, 5ta Edición Stephen J. Chapman FREELIBROS.ORG PDF

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MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS QUINTA EDICIÓN Stephen J. Chapman BAE Systems Australia Revisión técnica Carlos Rodríguez Pérez Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Estado de México Alfredo Santana Díaz Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterr...

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MÁQUINAS ELÉCTRICAS

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MÁQUINAS ELÉCTRICAS QUINTA EDICIÓN

Stephen J. Chapman BAE Systems Australia

Revisión técnica

Carlos Rodríguez Pérez Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Estado de México

Alfredo Santana Díaz Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Toluca

MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • MADRID • SAO PAULO NUEVA YORK • SAN JUAN • SANTIAGO • AUCKLAND • LONDRES • MILÁN MONTREAL • NUEVA DELHI • SAN FRANCISCO • SINGAPUR • ST. LOUIS • SIDNEY • TORONTO

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Director General México: Miguel Ángel Toledo Castellanos Editor sponsor: Pablo E. Roig Vázquez Coordinadora editorial: Marcela I. Rocha Martínez Editora de desarrollo: Ana Laura Delgado Rodríguez Supervisor de producción: Zeferino García García Traducción: Sergio Sarmiento Ortega MÁQUINAS ELÉCTRICAS Quinta edición Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.

DERECHOS RESERVADOS © 2012, 2005, 1987, respecto de la tercera edición en español por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A, Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegación Álvaro Obregón, C.P. 01376, México, D.F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736

ISBN: 978-607-15-0724-2 (ISBN edición anterior: 978-970-10-4947-1)

Traducido de la quinta edición en inglés de Electric Machinery Fundamentals, © 2012 by The McGraw-Hill Companies, Inc. New York, N.Y. All rights reserved. ISBN: 978-0-07-352954-7

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Impreso en México

Printed in Mexico

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Para mi hija Sarah Rivkah Chapman, quien probablemente usará este libro en sus estudios en la Swinburne University, Melbourne.

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Acerca del autor Stephen J. Chapman egresó como ingeniero electricista en 1975 de la Universidad del Estado de Louisiana, obtuvo una maestría en ingeniería eléctrica en la Universidad Central de Florida en 1979 y realizó otros estudios de posgrado en la Universidad de Rice. De 1975 a 1980 fue oficial de la Armada de Estados Unidos y asignado a la enseñanza de la ingeniería eléctrica en la US Naval Nuclear Power School en Orlando, Florida. De 1980 a 1982 estuvo adscrito a la Universidad de Houston, donde dirigió el programa de sistemas de potencia en el College of Technology. De 1982 a 1988 y de 1991 a 1995 fue miembro del cuerpo técnico del Laboratorio Lincoln del Instituto Tecnológico de Massachusetts en Lexington, Massachusetts, y en las instalaciones de Kwajalein Atoll, en la República de las Islas Marshall. Mientras estuvo ahí, realizó investigación sobre sistemas de procesamiento de señales de radar. Durante los últimos años dirigió cuatro grandes sistemas de procesamiento de señales de radar (TRADEX, ALTAIR, ALCOR y MMW) en Kwajalein. De 1988 a 1991 fue ingeniero investigador en la Shell Development Company en Houston, Texas, donde realizó investigación en el procesamiento de señales sísmicas. También estuvo en la Universidad de Houston, donde siguió dando clases. Actualmente es gerente de modelación de sistemas y de análisis operacional en BAE SYSTEMS Australia, en Melbourne. Es miembro senior del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (y de varias de las sociedades que lo componen), así como de Engineers Australia.

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Contenido breve

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Capítulo 1

Introducción a los principios de las máquinas

Capítulo 2

Transformadores

Capítulo 3

Principios básicos de las máquinas de corriente alterna (ca)

119

Capítulo 4

Generadores síncronos

147

Capítulo 5

Motores síncronos

205

Capítulo 6

Motores de inducción

231

Capítulo 7

Fundamentos de máquinas de corriente directa (cd)

301

Capítulo 8

Motores y generadores de corriente directa

345

Capítulo 9

Motores monofásicos y de uso especial

415

1 49

Apéndice A Circuitos trifásicos

449

Apéndice B Paso de bobina y devanados distribuidos

469

Apéndice C Teoría de polos salientes de las máquinas síncronas

485

Apéndice D Tablas de constantes y factores de conversión

493

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Contenido Capítulo 1 1.1 1.2 1.3

Introducción a los principios de las máquinas

1

Las máquinas eléctricas, los transformadores y la vida diaria Nota referente a las unidades y notación Notación Movimiento rotatorio, ley de Newton y relaciones de potencia

1 2 2

Posición angular (u) / Velocidad angular (v) / Aceleración angular (a) Par (t) / Ley de rotación de Newton / Trabajo (W) / Potencia (P) 1.4

1.5 1.6 1.7 1.8

1.9

1.10

Capítulo 2 2.1 2.2 2.3

2.4

El campo magnético Producción de un campo magnético / Circuitos magnéticos / Comportamiento magnético de los materiales ferromagnéticos / Pérdidas de energía en un núcleo ferromagnético Ley de Faraday: voltaje inducido por un campo magnético variable Producción de fuerza inducida en un alambre Voltaje inducido en un conductor que se mueve en un campo magnético Ejemplo sencillo de una máquina lineal de corriente directa Arranque de la máquina lineal de corriente directa / La máquina lineal de corriente directa como motor / La máquina lineal de corriente directa como generador / Problemas con el arranque en la máquina de corriente directa lineal Potencias real, reactiva y aparente en los circuitos de corriente alterna Formas alternativas de las ecuaciones de potencia / Potencia compleja / Relaciones entre el ángulo de impedancia, el ángulo de la corriente y la potencia / Triángulo de potencia Resumen

6

22 25 26 28

36

41

Preguntas Problemas Bibliografía

42 42 48

Transformadores

49

Por qué son importantes los transformadores en la vida moderna Tipos y construcción de transformadores El transformador ideal Potencia en el transformador ideal / Transformación de impedancia a través de un transformador / Análisis de circuitos que contienen transformadores ideales Teoría de operación de los transformadores monofásicos reales

49 50 51

58

Relación de voltaje en el transformador / Corriente de magnetización en un transformador real / Relación de corriente en un transformador y la convención de puntos 2.5

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El circuito equivalente de un transformador Circuito equivalente exacto de un transformador real / Circuitos equivalentes aproximados de un transformador / Determinación de los valores de los componentes en el modelo de transformador

64

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Contenido

2.6 2.7

Sistema de medidas por unidad Regulación de voltaje y eficiencia de un transformador

72 77

Diagrama fasorial del transformador / Eficiencia del transformador 2.8 2.9

Tomas (taps) y regulación de voltaje en los transformadores El autotransformador

84 84

Relaciones entre el voltaje y la corriente en un autotransformador / La ventaja del valor nominal de la potencia aparente de los autotransformadores / La impedancia interna de un autotransformador 2.10

Transformadores trifásicos

90

Conexiones de transformadores trifásicos / El sistema por unidad para los transformadores trifásicos 2.11

Transformación trifásica utilizando dos transformadores

98

La conexión D abierta (o V-V) / La conexión ye abierta-delta abierta / La conexión Scott-T / La conexión T trifásica 2.12

Valores nominales y problemas relacionados con los transformadores

103

Valores nominales de voltaje y frecuencia de un transformador / Valor nominal de la potencia aparente de un transformador / El problema de la corriente de irrupción / Placa de características del transformador 2.13 2.14

Capítulo 3 3.1

Transformadores para instrumentos Resumen

111 111

Preguntas Problemas Bibliografía

112 112 117

Principios básicos de las máquinas de corriente alterna (ca)

119

Espira sencilla en un campo magnético uniforme

119

Voltaje inducido en una espira rotativa sencilla / Par inducido en una espira que porta corriente 3.2

Campo magnético giratorio

124

Demostración del concepto de campo magnético giratorio / Relación entre la frecuencia eléctrica y la velocidad de rotación del campo magnético / Inversión de la dirección de rotación del campo magnético 3.3 3.4

Fuerza magnetomotriz y distribución de flujo en máquinas de ca Voltaje inducido en máquinas de ca

132 134

Voltaje inducido en la bobina de un estator bipolar / Voltaje inducido en un grupo de bobinas trifásico / Voltaje RMS en un estator trifásico 3.5 3.6 3.7

Par inducido en una máquina de ca Aislamiento del devanado en una máquina de ca Flujo de potencia y pérdidas en máquinas de ca

138 140 141

Pérdidas en máquinas de ca / Diagrama de flujo de potencia 3.8 3.9

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Regulación de voltaje y regulación de velocidad Resumen

143 144

Preguntas Problemas Bibliografía

145 145 146

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Contenido

Capítulo 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

Generadores síncronos

147

Construcción de generadores síncronos La velocidad de rotación de un generador síncrono Voltaje interno generado por un generador síncrono Circuito equivalente de un generador síncrono Diagrama fasorial de un generador síncrono Potencia y par en los generadores síncronos Medición de los parámetros del modelo de generador síncrono

147 150 151 152 156 157 159

xi

Relación de cortocircuito 4.8

Generador síncrono que opera solo

163

Efecto de los cambios en la carga en un generador síncrono que opera solo / Problemas de ejemplo 4.9

Operación en paralelo de generadores de ca

173

Condiciones requeridas para operar en paralelo / Procedimiento general para conectar generadores en paralelo / Características de frecuencia-potencia y de voltaje-potencia reactiva de un generador síncrono / Operación de generadores en paralelo con grandes sistemas de potencia / Operación de generadores en paralelo con otros generadores del mismo tamaño 4.10

Transitorios (oscilaciones momentáneas) en los generadores síncronos

186

Estabilidad transitoria en los generadores síncronos / Transitorios en cortocircuito en generadores síncronos 4.11

Valores nominales de los generadores síncronos

191

Valores nominales del voltaje, la velocidad y la frecuencia / Valores nominales de la potencia aparente y del factor de potencia / Curvas de capacidad de los generadores síncronos / Operación de corta duración y factor de servicio 4.12

Capítulo 5 5.1

Resumen

199

Preguntas Problemas Bibliografía

199 200 204

Motores síncronos

205

Principios básicos de la operación de los motores

205

Circuito equivalente de un motor síncrono / Motores síncronos desde la perspectiva del campo magnético 5.2

Operación de motor síncrono en estado estacionario

208

Curva característica par-velocidad de los motores síncronos / Efecto de los cambios de carga en los motores síncronos / Efecto de cambios de la corriente de campo en los motores síncronos / Los motores síncronos y la corrección del factor de potencia / Capacitor o condensador síncrono 5.3

Arranque de los motores síncronos

219

Arranque del motor por medio de la reducción de la frecuencia eléctrica / Arranque del motor con un motor primario externo / Arranque del motor con devanados de amortiguamiento / Efecto de los devanados de amortiguación en la estabilidad del motor

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Contenido

5.4 5.5 5.6

Capítulo 6 6.1 6.2

Generadores síncronos y motores síncronos Valores nominales en los motores síncronos Resumen

224 225 225

Preguntas Problemas Bibliografía

227 227 230

Motores de inducción

231

Construcción de un motor de inducción Conceptos básicos de los motores de inducción

231 232

Desarrollo del par inducido en un motor de inducción / Concepto de deslizamiento del rotor / Frecuencia eléctrica en el rotor 6.3

Circuito equivalente de un motor de inducción

237

Modelo de transformador de un motor de inducción / Modelo de circuito del rotor / Circuito equivalente final 6.4

Potencia y par en los motores de inducción

240

Pérdidas y diagrama de flujo de potencia / Potencia y par de un motor de inducción / Separación de las pérdidas en el cobre del rotor y la potencia convertida en el circuito equivalente de un motor de inducción 6.5

Característica par-velocidad de los motores de inducción

247

Par inducido desde el punto de vista físico / Deducción de la ecuación del par inducido en el motor de inducción / Comentarios sobre la curva parvelocidad del motor de inducción / Par máximo (par de desviación) en un motor de inducción 6.6

Variaciones en las características par-velocidad del motor de inducción

259

Control de las características del motor mediante el diseño del rotor de jaula de ardilla / Diseños de rotores de barra profunda y de doble jaula / Clases de diseño de los motores de inducción 6.7 6.8

Tendencias en el diseño de motores de inducción Arranque de los motores de inducción

266 268

Circuitos de arranque de los motores de inducción 6.9

Control de velocidad en los motores de inducción

272

Control de velocidad del motor de inducción mediante el cambio de polos / Control de velocidad mediante el cambio en la frecuencia de la línea / Control de velocidad mediante el cambio del voltaje de línea / Control de velocidad mediante el cambio de la resistencia del rotor 6.10

Controladores de estado sólido para motores de inducción

278

Ajuste de frecuencia (velocidad) / Selección de patrones de voltaje y de frecuencia / Rampas de aceleración y desaceleración ajustables de manera independiente / Protección del motor 6.11

Determinación de los parámetros del modelo del circuito

282

Prueba en vacío / Prueba de cd para determinar la resistencia del estator / Prueba del rotor bloqueado 6.12

El generador de inducción

289

Generador de inducción aislado / Aplicaciones de los generadores de inducción

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Contenido

6.13 6.14

Capítulo 7 7.1

Valores nominales de los motores de inducción Resumen

293 293

Preguntas Problemas Bibliografía

295 295 299

Fundamentos de máquinas de corriente directa (cd)

301

Espira giratoria sencilla entre caras polares curvas

301

xiii

Voltaje inducido en una espira giratoria / Determinación del voltaje de cd de una espira giratoria / El par inducido en la espira giratoria 7.2 7.3

Conmutación en una máquina de cd sencilla de cuatro espiras Construcción del sistema de conmutación y del inducido en las máquinas de cd

310 313

Bobinas del rotor / Conexiones a los segmentos del conmutador / Devanados imbricados / Devanado ondulado / Devanado de pata de rana 7.4

Problemas de conmutación en las máquinas reales

322

Reacción del inducido / Voltajes L di/dt / Soluciones a los problemas de conmutación 7.5 7.6

Ecuaciones de voltaje interno generado y par inducido en las máquinas de cd reales Construcción de las máquinas de cd

331 335

Construcción de los polos y de la estructura / Construcción del rotor o inducido / El conmutador y las escobillas / Aislamiento de los devanados 7.7 7.8

Capítulo 8 8.1 8.2 8.3 8.4

8.5 8.6

8.7

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Flujo de potencia y pérdidas en las máquinas de cd Pérdidas en las máquinas de cd / Diagrama de flujo de potencia Resumen

339 341

Preguntas Problemas Bibliografía

341 342 344

Motores y generadores de corriente directa

345

Introducción a los motores de cd Circuito equivalente en un motor de cd Curva de magnetización de una máquina de cd Motores de cd de excitación separada y en derivación Característica de las terminales de un motor de cd en derivación / Análisis no lineal de un motor de cd en derivación / Control de velocidad en los motores de cd en derivación / Efecto de campo abierto de un circuito Motor de cd de imán permanente Motor de cd en serie Par inducido en un motor de cd en serie / Característica de las terminales de un motor de cd en serie / Control de velocidad en los motores de cd en serie Motor de cd compuesto Característica par-velocidad de un motor de cd compuesto acumulativo / Característica par-velocidad de un motor de cd compuesto diferencial / Análisis no lineal en motores de cd compuestos / Control de velocidad en un motor de cd compuesto acumulativo

345 346 347 348

364 366

371

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xiv

Contenido

8.8

Arrancadores de motores de cd

375

Problemas en el arranque de motores de cd / Circuitos de arranque de los motores de cd 8.9

El sistema Ward-Leonard y los controladores de velocidad en estado sólido

380

Sección del circuito de protección / Sección del circuito de arranque y paro / Sección de electrónica de alta potencia / Sección de electrónica de baja potencia 8.10 8.11 8.12

Cálculo de la eficiencia de un motor de cd Introducción a los generadores de cd Generador de excitación separada

387 389 390

Característica de las terminales de un generador de cd de excitación separada / Control del voltaje en las terminales / Análisis no lineal de un generador de cd de excitación separada 8.13

Generador de cd en derivación

394

Incremento de voltaje en un generador en derivación / Característi...