Nueva versión del simulador de Máquinas Eléctricas

Moisés San Martín

Para el estudio de las Máquinas Eléctricas de corriente alterna (síncronas y asíncronas) podemos recurrir, como en el caso del transformador, al análisis de su circuito equivalente. De esta manera podemos conocer el comportamiento de las máquinas para cualquier régimen de carga, e incluso ante variaciones de tensión o frecuencia.

Para el caso de las máquinas asíncronas (inducción) el circuito equivalente será similar al del transformador monofásico, con la diferencia de que para representar la potencia cedida (útil) conectamos una resistencia a la salida.

A partir de este circuito equivalente podemos determinar la potencia electromagnética, la potencia absorbida, la corriente consumida, par electromagnético, etc. y la podemos representar para todos los estados de funcionamiento. Para realizar dicho estudio hemos preparado un software en Aulamoisan (www.aulamoisan.com) que puede ser descargado en http://www.aulamoisan.com/software-moisan/maquinas-electricas.

Este mismo programa analiza el comportamiento ante diferentes tensiones y frecuencias.

De igual manera se analiza la máquina síncrona, que se trabaja como circuito equivalente su circuito Thevenin compuesto por un generador ideal en serie con una impedancia interna.

En este caso el software representa el diagrama fasorial y nos permite conocer el comportamiento de la máquina síncrona ante variaciones de carga (potencias).

Más información en www.aulamoisan.com.

Simulación de transformadores monofásicos

Moisés San Martín

Para el estudio del comportamiento de los transformadores eléctricos se acostumbra usar un circuito equivalente como el mostrado en la figura:

Los parámetros del circuito equivalente son obtenidos a partir de los ensayos de vacío y de cortocircuito. Una vez conocidos los citados parámetros es posible determinar el comportamiento del transformador eléctrico ante cualquier carga conectada al secundario.

En Aulamoisan hemos desarrollado un software simulador que permite calcular todas las magnitudes fundamentales del circuito (tensiones, corrientes y potencias), así como representar su diagrama fasorial.

La carga conectada al secundario puede ser expresada por su impedancia, y también por sus potencias activa y reactiva.

Puedes descargar el programa en http://www.aulamoisan.com/software-moisan/transformadores-monofasicos.

Circuitos magnéticos (III)

Moisés San Martín

Continuando con la serie de circuitos magnéticos, en el que tratamos de analizar el circuito de doble ventana de la siguiente figura alimentado en su columna central.

Para el estudio del mencionado circuito magnético ante cualquier carga conectada en sus devanados, utilizamos su CIRCUITO EQUIVALENTE (usado con profusión en el estudio de transformadores eléctricos CON DOS DEVANADOS). Este circuito equivalente consta de una resistencia del primario Rp y una resistencia en el secundario R's (reducida al primario) correspondiente a las pérdidas por efecto Joule; unas reactancias de primario Xdp y secundario X'ds (también reducida al primario) correspondientes a la dispersión de flujo, una resistencia _RFE   correspondiente a las pérdidas de Foucault e histéresis en el circuito magnético; y una reactancia X_µ  que representa el flujo útil. Además, la carga conectada al secundario Z'c se reduce al primario.

 Dado que en este caso el "transformador" dispone de un primario (columna central y varios secundarios (columna central, columna lateral izquierda y columna lateral derecha), el circuito equivalente completo deberá considerar todos estos elementos.

Como ya se vio en artículos anteriores, en todos los casos, el flujo en la columna central se reparte entre sendos flujos en las columnas laterales. Por lo tanto, el CIRCUITO EQUIVALENTE OBTENIDO podría ser el mostrado en la siguiente figura:

Obsérvese que en las columnas laterales (A y C), la reactancia que representa su flujo útil Xµ viene dividida por la mitad. Por otra parte, analizando los elementos del circuito equivalente correspondiente a las columnas centrales, tenemos algo parecido a dos circuitos equivalentes conectados EN SERIE (E_A + E_C = E_B). Dado que el flujo en corriente alterna es proporcional a la tensión, esto nos indica que el flujo de A más el flujo de C es igual al flujo en B (y esto sin considerar los flujos dispersos).

Respecto a la columna central B, se observa que se corresponde con el circuito equivalente clásico de un transformador.

Con el citado circuito equivalente es posible analizar el comportamiento del "transformador ante cualquier carga conectada en su secundario.

Nuevo simulador de Subestaciones Eléctricas

    Se ha creado a través de un Proyecto Fin de Carrera de Eladio González un programa Simulador de Subestaciones Eléctricas.

    El programa explica los distintos elementos que intervienen en una subestación eléctrica, y permite la simulación de maniobras (de forma manual y automática) en las siguientes configuraciones:

• Barras simples
• Barras simples partidas
• Barras simples con by-pass
• Juego de barras con transferencia
• Doble barra
• Anillo
• Interruptor y medio

   Más información y descarga en http://www.aulamoisan.com/software-moisan/subestaciones-electricas

Circuitos magnéticos (II)

Moisés San Martín

Continuamos con el análisis de magnético realizado en un circuito de dos ventanas como el mostrado en la figura.

En este caso tratamos de justificar el reparto de los flujos por las columnas laterales ante diferentes cargas. Ya vimos en el post anterior que ante cualquier carga el flujo de la columna central permanece prácticamente constante (debido a que depende de la tensión y la frecuencia).

Si observamos el circuito ante diversas cargas, en todos los casos la corriente por la carga del secundario en la columna de la izquierda es prácticamente igual a la corriente de la carga de la columna derecha:

Esta corriente por la carga origina una tensión, que será proporcional al flujo que circula por esa columna. Se observa que si la resistencia conectada en la columna derecha es doble, por ahí circula prácticamente el doble de flujo que en la columna izquierda. (Recuérdese que por la columna central prácticamente circula el mismo flujo y así se comprueba analizando la tensión en el secundario de la columna central). Por lo tanto, cuanto más carga haya en una columna lateral, más flujo circulará por ella (en detrimento de la otra columna lateral).

La explicación de este fenómeno es el mantenimiento de la fuerza magnetomotriz (NI). Eligiendo un camino cerrado podemos aplicar que la suma algebraica de fuerzas magnetomotrices en ese camino es igual a la suma de flujos por la reluctancia.

Del análisis en vacío determinamos que la corriente de vacío es despreciable (y por tanto su flujo por reluctancia) como vemos en la siguiente figura:

Por lo tanto eligiendo como camino cerrado el marcado con rojo en la figura, la fuerza magnetomotriz de la columna central (NpIp) es prácticamente la fuerza magnetomotriz de la columna derecha (NsIsc). En realidad NsIsc = NpIp-NpIo (siendo Io la corriente de vacío).

Si a la corriente del primario (0,45 A) se le resta la corriente de vacío (0,06 A) y se multiplica por la relación de transformación (0,92) se obtiene prácticamente las corrientes que circulan por los secundarios de las columnas laterales.

Con estos resultados ya estamos en condiciones de elaborar el circuito equivalente para el estudio de este circuito magnético y que haremos en futuros posts.

Circuitos magnéticos

Moisés San Martín

Para el análisis de los circuitos magnéticos vamos a usar el ejercicio propuesto por Fraile Mora en su libro de Máquinas Eléctricas, donde tenemos un transformador trifásico (con tres devanados primarios y tres devanados secundarios). El estudio lo realizaremos en el laboratorio de Máquinas Eléctricas con el software Gestión de ensayos eléctricos.

Utilizaremos para los ensayos un transformador de relación de transformación 0,92. Realizamos una conexión en vacío del transformador en una única columna, la central, como se puede ver en la siguiente figura:

En ese momento aparece una corriente en el primario correspondiente a la corriente de vacío. De las tensiones aparecidad en los diferentes devanados podemos deducir que por la columna central circula el doble de flujo que por las dos columnas laterales.

A continuación conectamos una carga (igual a R) en las columnas laterales a-a' y c-c', obteniéndose los resultados que aparecen en la siguiente figura:

Se puede ver que, como en el caso anterior, el flujo central es doble que en las columnas laterales. A pesar de que la corriente en el primario ahora es mayor, el flujo en la columna central es prácticamente el mismo que en el caso de vacío, es decir, que aunque esa corriente producirá un flujo mayor, tenemos las corrientes en la carga que también producirán un flujo que se opone al anterior. Como resultado obtenemos que el flujo permanece prácticamente constante. Esto es debido a que el flujo producido en corriente alterna depende de la tensión (en realidad de la fuerza electromotriz) y de la frecuencia.

Si conectamos cargas diferentes en el secundario veremos que el reparto de flujo en las columnas laterales ya no es el mismo que en el caso de cargas iguales:

Efectivamente se observa que el flujo por la carga 2R (columna c-c') es prácticamente el doble que por la carga R (columna a-a').

Si en el devanado de una columna lateral se realiza un cortocircuito, veremos que el flujo prácticamente desaparece (para ello observamos la tensión en la otra bobina de esa misma columna). Veamoslo en la siguiente figura:

En futuras entradas del blog expondremos el circuito equivalente necesario para el análisis de estos resultados obtenidos de ensayos de laboratorio. Además prepararemos un simulador con el circuito equivalente que reproduzca de manera teorica los resultados obtenidos experimentalmente.

Análisis del consumo de lámparas LED (2)

Analizamos en este caso otra lámpara tipo LED, concretamente la que se muestra en la figura adjunta. Como en casos anteriores tratamos exclusivamente de analizar aspectos de consumo energético.

Para su estudio lo sometemos a su tensión nominal y adquirimos los valores instantáneos de la tensión y corriente absorbida. Estas magnitudes están representadas en la siguiente figura:

 Obsérvese que la corriente no es sinusoidal.

A continuación se determina la potencia instantánea, y su valor medio en cada periodo (potencia activa). También se calculan los valores eficaces de la tensión y corriente. Estas magnitudes se representan en la siguiente figura. El ensayo ha consistido en iniciar la adquisición de datos y a continuación se conecta la lámpara.

Se observa que apenas existe periodo transitorio, y que el consumo es próximo a los 3W que indica su potencia nominal. Existe una gran variabilidad en la potencia y la corriente debido a la forma de onda de la corriente (y, por tanto, de la potencia).

Moisés San Martín