Simulación de Máquinas Eléctricas

Moisés San Martín

Para el estudio y análisis del comportamiento de Máquinas Eléctricas es muy útil el uso de simuladores informáticos.

En el caso de la máquina asíncrona (o de inducción) partiendo de los datos del circuito equivalente, se puede realizar un estudio bastante completo de todos los puntos de funcionamiento de la máquina. Así, se pueden determinar las curvas características par-velocidad, corriente-velocidad, potencia-velocidad, par a varias frecuencias, el diagrama del círculo, etc.

La resolución del circuito eléctrico equivalente nos proporciona el par máximo, el par de arranque, la corriente de arranque, etc., así como las magnitudes más interesantes a considerar en el estudio de una máquina de inducción. De igual manera se puede analizar el comportamiento de la máquinas como generador, como motor y como freno.

En Aulamoisan hemos diseñado un simulador para el análisis y estudio de las máquinas eléctricas: http://www.aulamoisan.com/software-moisan/maquinas-electricas

Diagramas fasoriales

Moisés San Martín

   Para el estudio de circuitos de corriente alterna en régimen estacionario sinusoidal se recurre a las FASORES que representan las tensiones y corrientes en los circuitos eléctricos. Estos fasores se representan en lo que se denomina diagrama fasorial.

   Los diagramas fasoriales se van construyendo teniendo en cuenta los distintos elementos que componen el circuito. Teniendo en cuenta que la tensión en una resistencia está en fase con su corriente, que la corriente en una autoinducción ideal está atrasada 90 grados respecto a su tensión, y que la corriente en un condensador está adelantada 90 grados respecto a su tensión, los diagramas fasoriales correspondientes serán los representados en la figura:

   En el caso de circuitos serie compuestos por dos elementos pasivos, la corriente será común a ambos elementos, y la tensión del generador será la suma de la tensión de los elementos pasivos, como se puede ver en la siguiente figura:

   Para los circuitos paralelo compuestos por dos elementos pasivos, ahora será la tensión común a ambos elementos, y la corriente que aporta el generador será la suma de la corriente de cada uno de los elementos pasivos (véase la siguiente figura).

   De igual manera se obtienen los diagramas fasoriales compuestos por más elementos. Se representa a continuación los correspondientes a diversos circuitos RLC.

 

   (Los diagramas fasoriales han sido obtenidos del software Circuitos Monofásicos plus que se puede descargar en http://www.aulamoisan.com/software-moisan/corriente-alterna/circuitos-monofasicos-plus)

Nueva versión Circuitos Monofásicos Plus

Moisés San Martín

Se ha generado una nueva versión del programa CIRCUITOS MONOFÁSICOS PLUS, al que se le han añadido nuevos circuitos RLC para el estudio de la respuesta estacionaria ante fuentes de corriente alterna.

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Nueva versión del software de Gestión de Ensayos Eléctricos

Moisés San Martín

Se ha generado una nueva versión del software de Gestión de Ensayos Eléctricos con el fin de incorporar las comunicaciones MODBUS TCP.

El programa permite la comunicación con equipos industriales que dispongan del protocolo ModBUS en sus diversas variantes:
- ModBUS Serie
- ModBUS sobre Ethernet TCP.
- ModBUS sobre Ethernet UDP.
- ModBUS TCP.

Los equipos a los que se puede conectar pueden ser del tipo indicadores (aparatos de medida) como controladores (autómatas, variadores, controladores en tiempo real, etc.), con lo que se puede gestionar, con este programa, ensayos electricos.

El software permite la configuración de nuevos ensayos, mediante la modificación de ficheros de configuración.

Más información en http://www.aulamoisan.com/software-moisan/gestion-de-ensayos-el

Transitorios Segundo Orden

Moisés San Martín

Para el estudio de los transitorios de segundo orden en circuitos eléctricos podemos utilizar herramientas de simulación que nos permitan comprender los fenómenos asociados a los transitorios eléctricos. Para ello, en Aulamoisan se ha diseñado un simulador software.

El programa desarrollado resuelve la conexión de un generador (en el instante de tiempo t = 0) a una carga formada por una resistencia, una autoinducción y un condensador con distintas configuraciones de conexión.

El generador a conectar puede ser tanto de corriente continua como de corriente alterna.

Para su resolución se plantean las ecuaciones asociadas al fenómeno a analizar, ecuaciones que se representan a continuación para los distintos circuitos objeto de estudio y en las que en todos los casos se ha escogido como incógnita la asociada al elemento de almacenamiento de energía (autoinducción o condensador).

Una vez planteadas las ecuaciones se resuelven recurriendo a métodos numéricos mediante la utilización del método de resolución de ecuaciones diferenciales de Runge Kutta de cuarto orden.

En la gráfica se representa la tensión de la carga, la corriente de la autoinducción y la tensión del condensador.

Descarga el programa en http://www.aulamoisan.com/software-moisan/transitorios2

Estudio teórico y práctico de transitorios de primer orden

Moisés San Martín

En el presente artículo pretendemos mostrar un estudio tanto teórico como práctico de los transitorios eléctricos de primer orden. Para el estudio teórico se ha usado un simulador (explicado en anteriores post y que se puede descargar en http://www.aulamoisan.com/software-moisan/transitorios) que determina la respuesta de carga y descargas eléctricas de un condensador y una autoinducción.

En el caso de la autoinducción, se analiza la corriente en un circuito formado por una fuente de tensión conectada a una resistencia y una autoinducción en serie. El análisis teórico se muestra en la siguiente figura.

Se puede apreciar, en color rojo corriente que atraviesa el circuito una vez que se conecta una autoinducción. Esta respuesta completa se ha separado un una respuesta transitoria (natural) y la respuesta permanente (senoidal).

En el laboratorio de Ingeniería Eléctrica de la Escuela de Ingenierías Industriales de la Universidad hemos montado un circuito para la medición de transitorios (el circuito mostrado en la figura anterior) al que hemos conectado una serie de aparatos de medida que nos permiten adquirir la tensión y la corriente del circuito ante un transitorio. La gráfica obtenida se muestra en la siguiente figura:
Obsérvese que la corriente es similar a la obtenida en el caso teórico. Se ha conectado una autoinducción con núcleo de aire. Si en vez de conectar esta autoinducción conectamos una con núcleo de hierro el resultado es diferente, y se muestra en la siguiente figura:
En este caso vemos también un periodo transitorio, pero la respuesta no coincide con el estudio teórico dado que estamos trabajando con un elemento no lineal (debido a la saturación). Esta forma de la corriente es la típica de la conexión de transformadores (inrush current).

En el caso del condensador hemos procedido de la misma manera comenzando por el análisis teorico:
También hemos preparado un montaje práctico para la determinación de la respuesta. En este caso analizamos la tensión en el condensador, que es donde se produce el periodo transitorio. El resultado práctico se muestra en la siguiente figura:

Si bien la respuesta práctica es similar a la analizada teoricamente, en este caso se observa una pequeña deformación de la onda de tensión debido a los armónicos de la tensión de alimentación que el condensador aumenta debido a que disminuye su impedancia.

Los datos completos de tensión y corriente obtenidos en el ensayo se pueden descargar en los siguientes enlaces:

- Carga y descarga autoinducción aire.
- Carga y descarga autoinducción hierro.
- Carga y descarga condensador.

Transitorios eléctricos de primer orden

Moisés San Martín

Para el estudio de los transitorios de primer orden en circuitos eléctricos podemos utilizar herramientas de simulación que nos permitan comprender los fenómenos asociados a los transitorios eléctricos. Para ello, en Aulamoisán se ha diseñado un simulador software.

El programa desarrollado resuelve la conexión de un generador (en el instante de tiempo t = 0) a una carga formada por una resistencia en serie con una autoinducción, o a una resistencia en serie con un condensador.

El generador a conectar puede ser tanto de corriente continua como de corriente alterna.

Para su resolución se plantean las ecuaciones asociadas al fenómeno a analizar, ecuaciones que se representan a continuación para los distintos circuitos objeto de estudio y en las que en todos los casos se ha escogido como incógnita la asociada al elemento de almacenamiento de energía (autoinducción o condensador).

Una vez planteadas las ecuaciones se resuelven recurriendo a métodos numéricos mediante la utilización del método de resolución de ecuaciones diferenciales de Runge Kutta de cuarto orden.

En la respuesta se caracterizará la constante de tiempo, la respuesta natural y la respuesta particular.

Descarga del programa en http://www.aulamoisan.com/software-moisan/transitorios