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Máquinas Eléctricas
El trabajo presente consta de una pequeña síntesis del
estudio de máquinas eléctricas.
BRUNO BRAVO DIAZ
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Temática
Objetivos
Conversión de Energía Electromecánica
Circuitos Magnéticos
El Transformador
Transformador real circuitos equivalentes
Pruebas aplicadas a los transformadores
Máquinas Rotativas
Tipos de máquinas eléctricas rotativas
Aplicaciones de las máquinas eléctricas
Evaluación
Bibliografía
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Objetivos
Explicar los principios de funcionamiento
de las máquinas eléctricas.
Aplicar los fundamentos en la operación
de máquinas eléctricas.
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CONCEPTOS GENERALES DE
MAQUINAS ELÉCTRICASINTRODUCCIÓN
En los cursos previos como es el de CIRCUITOS
ELECTRICOS, hemos estudiado la Tensión y Corriente en el
dominio del tiempo y de la frecuencia. Adicionalmente debemos
conocer los circuitos acoplados magnéticamente y los principiosbásicos del fenómeno de la inducción electromagnética.
Estos principios son aplicados a las máquinas eléctricas queson unos dispositivos empleados en la conversión de la
energía mecánica a energía eléctrica, energía eléctrica a
energía mecánica y en la transformación de la energía
eléctrica con un nivel de voltaje a una energía eléctrica
con otro nivel de voltaje, mediante la acción de un
campo magnético.
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Elementos a travésde los cualesrecibe la energíadel exterior bajoforma dada
MáquinaEléctrica
ENTRADA
Elementos a travésde las cuales laenergía se entrega
bajo una formadistinta salvo elcaso de lostransformadores
SALIDA
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CLASIFICACIÓN DE LASMÁQUINAS ELÉCTRICAS
SEGÚN EL TIPO DE CORRIENTE ELÉCTRICA CON LACUAL OPERAN
A.-Máquinas de Corriente Continua
Generadores de Corriente ContinuaMotores de Corriente Continua
B.-Máquinas de Corriente AlternaGeneradores de Corriente Alterna (Monofásicos/Trifásicos ;
Síncrono/Asíncrono)Motores de Corriente Alterna (Monofásicos/Trifásicos ;
Síncrono/Asíncrono)
Transformadores Eléctricos
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CLASIFICACIÓN DE LASMÁQUINAS ELÉCTRICAS
CLASIFICACIÓN POR NIVEL DE POTENCIA A.-Micromáquinas.-Cuya potencia varía de décimas de
watt hasta 500w. Estas máquinas trabajan tanto enC.A. como en C.C., así como a altas frecuencias (400-
200Hz). B.-De pequeña potencia.-.0.5-10 kW. Funcionan tanto en
c.a. como en c.c .y, en frecuencia normal(50-60Hz ómás).
C.-De potencia media.- 10kW, hasta varios cientos de
kW. D.-De gran potencia.-Mayor de 100kW. Por lo general
las máquinas de media y gran potencia funcionan afrecuencia industrial.
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CLASIFICACIÓN DE LASMÁQUINAS ELÉCTRICAS
CLASIFICACIÓN POR FRECUENCIA DEGIRO
De baja velocidad : con velocidad menor de 300r.p.m.;De velocidad media : (300 -1500 r.p.m.);De altas velocidades : (1500 -6000 r.p.m.);De extra altas velocidades: (mayor de 6000 r.p.m.).
Las micro máquinas se diseñan para velocidad esde algunos r.p.m. hasta 6000 r.p.m.
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CLASIFICACIÓN DE LASMÁQUINAS ELÉCTRICAS
CLASIFICACIÓN MODERNA DE LASMÁQUINAS ELÉCTRICAS
A.-Máquinas Eléctricas Estáticas Transformadores
Convertidores e Inversores
B.-Máquinas Eléctricas Rotativas Generadores Eléctricos
Motores Eléctricos (De Corriente Continua / De
Corriente Alterna)
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COMUNES DE LAS
MÁQUINAS ELÉCTRICAS Es necesario definir las características
fundamentales de las máquinas
eléctricas:
1.Potencia
2.Tensión
3.Corriente
4.Factor de Potencia
5.Frecuencia
6.Rendimiento
7.El Campo Magnético
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1.POTENCIAEn general es la potencia útil, que entrega o produce unamáquina eléctrica en sus terminales de salida. De allí que, la
POTENCIA ÚTIL en los Generadores y Transformadores esla “POTENCIA ELÉCTRICA” lo que comúnmente llamamospotencia en los bornes, mientras que en los Motores es la“POTENCIA MECÁNICA”, llamado también potencia en eleje.
POTENCIA NOMINALEs la potencia útil disponible que entrega o produce enrégimen nominal (condiciones específicas de diseño:T°<75°C, duración de funcionamiento) una máquina eléctrica. A condiciones diferentes se llama POTENCIA ÚTIL o
POTENCIA DE TRABAJO.
POTENCIA NOMINAL = POTENCIA A PLENA CARGAPOTENCIA NULA = TRABAJA EN VACIO
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LA POTENCIA QUE FIGURA EN LAS PLACASCARACTERISTICAS SON LAS POTENCIAS NOMINALES
POTECIA
NOMINAL DE
UN
GENERADOR
POTECIA
NOMINAL DE
UN MOTOR
POTECIA
NOMINAL DE UN
TRANSFORMADOR
Potencia Aparente
en los bornes del
Secundario
Potencia Aparente
en los bornes delSecundario
Potencia Mecánica
disponible en el eje
de Salida
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POTENCIA ELECTRICA = POTENCIAAPARENTE
POTENCIA APARENTE(S) Es la Potencia Eléctrica Total de una máquina
eléctrica que involucra tanto a la PotenciaActiva como la Potencia Reactiva.
Sistema Monofásico S=VxI
Sistema Trifásico S=√3xVxI
La unidad es el VOLTIO – AMPERIO(VA)
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POTENCIA ACTIVA (P)
Es la parte de la Potencia Eléctrica que realmente se transforma en elaccionamiento mecánico (Potencia Mecánica) viceversa.
Sistema Monofásico P = V x I x cosθ Sistema Trifásico P = √3 x V x I x cosθ La unidad es el WATT (W)
P = (F x V x 0,736 ) / 75 P= Potencia Activa en KW
F= Fuerza Tangencial en Kg
V= Velocidad Periférica en m/sP= (F x Πx 2 x r x n x 0,736 ) / (75 x 60)
P= Potencia Activa en KW
F= Fuerza Tangencial en Kg
r= Radio del eje de rotación o de la polea en m
n= N° de revoluciones por minutoP = (HPx0,746 ) / (η)
P= Potencia Activa en KW
HP= Potencia Mecánica en HP
η= Eficiencia de la Máquina
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POTENCIA REACTIVA (Q)Es la parte de la Potencia Eléctrica que crea los
campos magnéticos.
Sistema Monofásico Q = V x I x senθSistema Trifásico Q = √3 x V x I x senθ
La unidad es el VOLTIO AMPERIO REACTIVO (VAR)
Potencia Reactiva Capacitiva o Potencia ReactivaSuministradaPotencia Reactiva Inductiva o Potencia Reactiva
Absorbida
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2.-TENSIÓN Es la diferencia de potencial entre los bornes de salida eléctrica en
generadores y transformadores, y bornes de entrada en los motores.
En servicio normal la tensiones función de la carga, en algunos casosdependen de los órganos reguladores adicionales.
TENSIÓN NOMINAL (VN) Es aquella para la cual la máquina ha sido diseñada (o
dimensionada).Es la que figura en la placa y para la cual valen las
garantías del fabricante.
TENSIÓN DE SERVICIO (V servicio) Es el valor de la tensión en los bornes de la máquina cuando está en
servicio, es decir, es la tensión que va ha ceder si es generador orecibir y ceder si es transformador o recibir si es motor, en el lugar
donde se instalan.
V servicio máximo admisible = 1,15 VN
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3.-CORRIENTE NOMINAL
Sistema Monofásico I= WN/ (VNx cosθ)
Sistema Trifásico I= WN/ (√3 x VNx cosθ)
Si la máquina se sobrecarga la corriente
sobrepasa de un 10% a 15% su valor
nominal. La Corriente de Arranque llega a valores
de 2 INa 5 IN.
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4.-FACTORDEPOTENCIA(cosθ)
Es la relación entre la potencia activa y la
potencia aparente, siempre que las
tensiones y las corrientes sean
sinusoidales.
cosθ= P / S
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5.-FRECUENCIA(f)
Es el numero de oscilaciones periódicas
completas de la onda fundamental durante un
segundo.
En los generadores de corriente alterna lafrecuencia esta dada por :
f = P. n / 60
P=Par de polos de la máquina
n=revoluciones por minuto(RPM)
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6.-RENDIMIENTO(η)
Es la relación entre la potencia
suministrada y la potencia absorbida por
la máquina.
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7.-EL CAMPO MAGNÉTICODenominado también INDUCCIÓN MAGNÉTICA o
DENSIDAD DE FLUJO MAGNÉTICO.
Un campo magnético es un campo de fuerza creadocomo consecuencia del movimiento de cargas eléctricas(flujo de la electricidad).
La forma de actuar los campos magnéticos se deduce de
las Leyes de MAXWELL y los parámetroscorrespondientes a los diferentes material es magnéticosrecorridos por dichos campos.
Se desprecian la interacción de las corrientes de
desplazamiento en las leyes de MAXWELL, debido a quelas frecuencias de 50Hz y 60Hz usados en las máquinaseléctricas son realmente bajas y consecuencia seconsidera la conversión casi estática, para todos losefectos del cálculo.
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A partir de lo expuesto, la manera como el campo actúaen las diferentes máquinas eléctricas, se puedendescribir mediante los cuatro principios básicos:
1. Al circular corriente por un conductor se produce un campomagnético alrededor de él. Esta es la base de laPRODUCCION DE CAMPO MAGNÉTICO.
2. Si a través de una espira se pasa un campo magnéticovariable con el tiempo, se induce un voltaje en dicha espira.Esta es la base de la ACCION TRANSFORMADORA.
3. Si un conductor por el cual circula corriente, se encuentradentro de un campo magnético, se produce una fuerza sobre
dicho conductor. Esta es la base de la ACCION MOTOR.
4. Cuando un conductor en movimiento se encuentra inmersodentro de un campo magnético, en dicho conductor se induceun voltaje. Esta es la base de la ACCION GENERADORA
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Conversión de energíaelectromecánica.
La conversión de energía electromecánica es elpaso que se da entre energía eléctrica ymecánica o viceversa, que ocurre a través delcampo eléctrico o magnético creado por undispositivo de conversión
El principio de conversión electromecánica deenergía podemos resumir en las ecuacionessiguientes:
La ecuación 1 calcula la variable (e) en funciónde una variable mecánica (v) y el campo. (B)
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Ecuación 1
La ecuación 2 una variable mecánica (F) enfunción de una variable eléctrica (i) y el campo
(B).Ecuación 2
Ecuaciones del convertidor electromecánico quedependen del conductor y el campo que se
muevan:Ecuación 3
Bi F
BV E
1
0
.... l Bvl E dl E e
1
0
... l Bil F Fdl F ReV i
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Circuitos Magnéticos
Son estructuras compuestas de material ferromagnético de alta
permeabilidad en su gran totalidad, por la que circula una fuerza
magnetomotriz
Ejemplo
+
-
Devanado con Nvueltas
Línea del flujomagnético
rea de la seccióntransversal
Permeabilidadmagnética
i
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El Transformador
Un transformador es una máquina electromagnética que permite aumentar o disminuir la tensión manteniendo igual la potencia de entrada con la desalida.
Esta compuesto de dos o más devanados aislados entre si y acoplados conun flujo magnético, y un núcleo de material ferromagnético para realizar inducción entre el devanado primario y secundario; esta diseñado para elprocesamiento de potencia con un desempeño de pocas pérdidas y unabaja caída de tensión
En la figura se puede observar una construcción básica de materialferromagnético de estructura tipo núcleo, donde el flujo magnéticoestablecido por el devanado primario enlaza al devanado secundario por medio de un camino cerrado llamado núcleo.
H1
H2
X1
X2
Devanado
Primario
DevanadoSecundario
Núcleo ferromagnético
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Transformador Real y Circuito
Equivalente Un transformador real deberá tomar en cuenta los efectos que produce la
resistencia del devanado (R1, R2), los flujos de dispersión, los flujos dedispersión debido a la permeabilidad finita del núcleo; para este análisis sepresenta la técnica del circuito equivalente.
En el transformador se considera el flujo que enlaza el devanado principaldividido en dos componentes: El primer flujo debido a la corriente principaly secundaria llamado flujo mutuo, el segundo el flujo de dispersión queenlaza el devanado principal o secundario respectivamente.
El flujo de dispersión de dispersión produce una reactancia inductiva dedispersión principal que se determina a partir de:
El flujo de dispersión en el devanado secundario de la misma forma que enel principal, produce una reactancia inductiva dada por:
li fL
l X 2
1
22
2 l fL
l X
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Circuito equivalente transformador tiene como base un transformador Ideal
Circuito equivalente referido al primario
Circuito equivalente referido al lado del secundario
R1 Xl1 R2 Xl2
Rc XmV1 V2
I1 I2’Im
I2
+ +
- -
+
-
E2E1 ZL
R1 Xl1 aR2 aXl2
Rc a²XmV1 aV2
I1Im
I2
+
-
a
+
-
R1a
Xl1
a aR2 aXl2
a²Rc a²XmV1 aV2
aI1
aImI2
+
-
+
-
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Prueba de corto circuito
La prueba nos da la siguiente información:
La impedancia de dispersión equivalente del
transformador, la resistencia equivalentereferida al lado de alta y la reactancia de
dispersión equivalente referida al lado de alta.
Pruebas Aplicadas a unTransformador
AV
A W
CA
N1 N2
Fuente
AC
Lado
de alta
Lado
de baja
Req Xeq
Isc
Vsc
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Prueba de circuito abierto
Los parámetros a determinar son la admitancia(Ym) de excitación con sus componentes (Rc,
Xm), esta claro que la impedancia de dispersión
no afecta en esta prueba.
V
A W
CA
N1 N2
Fuente
AC
Lado
de bajaLado
de alta
Req Xeq
Rc Xm
ImIc =0
+
-
Circuito
abiertoVoc
+
-
Ioc
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Tipos de transformadores
Los transformadores son utilizados en varias aplicaciones desde la
generación, transporte y distribución de la energía; los tipos detransformadores son:
Según su aplicación: Transformadores de potencia, de protección, dedistribución, de comunicación y de medida.
Según el sistema de tensión: Monofásico, trifásico,
Según relación de la tensión del primario y el secundario: Elevador y
reductor. Según el medio: Interior y exterior.
Según el elemento refrigerante: Seco y en aceite
Estos transformadores, funcionan según los principios básicos descritos enel presente capítulo.
El análisis de cada uno de estos dejamos para materia de los siguientescursos
Transformadores de potencia. Son utilizados en la subtransmisión, ytransmisión de la energía eléctrica de alta y media tensión; generalmenteeste tipo de transformadores se lo puede encontrar en las centrales degeneración de energía eléctrica, en las subestaciones transformadoras.
Aplicaciones Máquinas
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Aplicaciones MáquinasEléctricas
El mundo de hoy esta construido sobre el avance delsector de la industria; las máquinas eléctricas abarcagran parte del desarrollo industrial y económico.
Las constantes investigaciones han ido mejorandopara que las máquinas eléctricas sean eficientes, de
gran rendimiento y más que todo proporcionen granseguridad al sector industrial.
Las máquinas eléctricas están utilizadas en la vidacotidiana desde el uso de un foco hasta lossuministros de gran potencia; este avance ha hecho
que las máquinas estén inmersas a diferentescambios y mejoras; en estos párrafos siguientesanalizamos la aplicabilidad de las máquinas eléctricasestudiadas en los capítulos anteriores:
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Transformadores En los sistemas industriales los transformadores tienen gran aplicabilidad: Se utilizan para la transmisión y subtransmisión de energía eléctrica en las
subestaciones transmisoras, generadores y distribución en general estostransformadores son de gran potencia.
Los transformadores de distribución se utilizan para la distribución deenergía eléctrica de media tensión; se encuentran en las zonas urbanas,
rurales, en las industrias, en la minería, en general en toda actividad querequiera la utilización de energía eléctrica.
Los transformadores de corriente y los transformadores de voltaje utilizadosen general dentro de la industria para toma de muestras de corriente y devoltaje respectivamente, reducirla y a un nivel medible y seguro, que actúaen conjunto con otros dispositivos de medida.
Los transformadores para radio frecuencia, utilizados en la electrónica para
acople de señal. En el sector eléctrico es importante el uso, aplicación y mantenimiento de
transformadores para ofrecer una eficiencia y seguridad al momento degenerar distribuir y consumir energía eléctrica.
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BIBLIOGRAFÍA
FITZGERAL, Kinsgley, Máquinas Eléctricas, México, Ed. McGraw- Hill, 2004
ENRIQUEZ HARPER, Gilberto, El ABC de las Máquinas Eléctricas I, México, Ed.Limusa, 2004
Manual Hidroabanico, Instrucciones para el servicio, Ecuador, 2004
ALLER, José, Máquinas Eléctricas Rotativas, Ed. Equinoccio, Caracas, 2007.
GUTIERREZ, Agustín, Teoría y Análisis de Máquinas Eléctricas, UNI- FIEE, Perú,2000
NASAR, S.A, Electromecánica y Máquinas Eléctricas, Ed. Limusa, México, 1997
KOSOW, Irving, Máquinas Eléctricas y Transformadores, Ed. Prentice Hall, México,1993.
CATHEY, Jimmie, Máquinas Eléctricas, Ed. McGraw- Hill, 2002
http://www.edukativos.com
http://miro.h3m.com/~s04be433/maquinaselectricas.htm.
http://www.elprisma.com/apuntes/curso.asp?id=11212
http://www.ilustrados.com/
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Evaluación Elemental del Estudio
de Máquinas Eléctricas ¿Qué es conversión de energía electromagnética? La conversión de energía electromecánica es el paso que se da entre energía
eléctrica y mecánica o viceversa, a través del campo eléctrico o magnético creadopor un dispositivo de conversión.
¿Cite los tipos de máquinas eléctricas? Máquinas estáticas: Transformadores
Máquinas rotativas: Máquinas AC, máquinas CC, máquinas sincrónicas, máquinas
de inducción. ¿Subraye los elemento básicos de las maquinas rotativos? Tacómetro
Estator
Devanados de inducido
Cojinete
Devanados de Campo
Compresor
Escobillas
Rotor
Termostato
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¿Cuál es la constitución de un transformador?Un transformador esta constituido básicamente de un núcleo de materialferromagnético y dos devanados que respectivamente se denominan primario ysecundario.
¿Qué es transformador? Un transformador es una máquina electromagnética que permite aumentar o
disminuir la tensión manteniendo igual la potencia de entrada con la de salida.
Subraye: ¿Inducción electromagnética es? A. Fuerza que existe entre las placas (con cargas opuestas) de un capacitor; ya que
si se coloca un dieléctrico entre las placas, tenderá a moverse a la parte del campocon mayor densidad.
B. Es el movimiento relativo entre un campo magnético y un conductor deelectricidad para generar una fuerza electromotriz.
Subraye: ¿Fuerza electromagnética? Interacción o fuerza que actúa sobre partículas de carga eléctrica. Interacción transmitida por los bosones vectoriales.