Máquinas Eléctricas

INGENIERÍA EJECUCIÓN EN ELECTRICIDAD

CARLOS JARA TORRES

I. P. VIRGINIO GÓMEZ

Introducción Máquina Eléctrica

Una máquina eléctrica es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en otra energía, o bien, en energía eléctrica pero con una presentación distinta, pasando esta energía por una etapa de almacenamiento en un campo magnético.

Las máquinas eléctricas se clasifican en tres grandes grupos:

a) Generadores.

b) Motores.

c) Transformadores.

a) Los generadores transforman energía mecánica en eléctrica.

b) El motor se puede clasificar en motor de corriente continua o motor de corriente alterna.

c) Los transformadores y convertidores conservan la forma de la energía pero transforman

sus características.

Máquina Eléctrica

Desde una visión mecánica, las máquinas eléctricas se pueden clasificar como:

- Rotativas (Generadores y Motores)

- Estáticas (Transformadores)

Las máquinas rotativas están provistas de partes giratorias, como las dinamos, alternadores, motores. En las máquinas rotativas hay una parte fija llamada estator y una parte móvil llamada rotor. Normalmente el rotor gira en el interior del estator. Al espacio de aire existente entre ambos se le denomina entrehierro. Los motores y generadores eléctricos son el ejemplo más simple de una máquina rotativa.

Las máquinas estáticas no disponen de partes móviles, como los transformadores. Para el estudio a realizar a continuación se clasificaran las máquinas como lo

anteriormente visto: rotativas y estáticas.

Introducción

Clasificación de las Máquinas Eléctricas Por Usos

Generadores

Motores

Convertidores Electromecánicos

Por tipo de Corriente y Funcionamiento

Transformadores

Máquinas de Inducción

Máquinas Síncronas

Máquina de C.C.

Por Nivel de Potencia

Micro Máquinas

De pequeña potencia

De potencia media

De gran potencia

Por Frecuencia de Giro

De Baja Velocidad

De Velocidad Media

De Altas Velocidades

De extra altas velocidades

Introducción

Generadores

Transforman la energía mecánica en eléctrica. Se instalan en las centrales eléctricas y en los diferentes equipos de transporte como autos, aviones, barcos, etc. En las Centrales Eléctricas los generadores son accionados mecánicamente mediante turbinas que pueden ser a vapor o hidráulicas; en los equipos de transporte mediante motores de combustión interna o turbinas a vapor. En una serie de casos los generadores se usan como fuente de energía para equipos de comunicaciones, dispositivos automáticos, de medición, etc.

Motores

Son equipos eléctricos que transforman la energía eléctrica en energía mecánica; sirven para accionar diferentes máquinas, mecanismos y dispositivos que son usados en la industria, agricultura, comunicaciones, y en los artefactos electrodomésticos. En los sistemas modernos de control los motores se usan en calidad de dispositivos gobernadores, de control, como reguladores y/o programables.

Convertidores Electromecánicos

Transforman la c.a. en c.c. y viceversa, variando la magnitud de tensión (V), tanto de c.a. como c.c., frecuencia (f), número de fases y otros. Se usan ampliamente en la industria aunque en las últimas décadas ha disminuido su demanda debido al uso de los conversores semiconductores (dispositivos electrónicos de potencia).

Transformadores

El transformador es un dispositivo estático de tipo electromagnético que tiene dos o más devanados acoplados por un campo magnético mutuo (núcleo) y se usa para convertir uno o varios sistemas de c.a. en otro u otros sistemas de c.a. de tensión diferente. La aplicación de los transformadores permite elevar o bajar la tensión, variar el número de fases y en algunos casos incluso variar la frecuencia de la c.a.

Máquina de inducción

Se usan como motores trifásicos, habiendo también monofásicos. La simpleza de su diseño y su alta confiabilidad permiten su uso en diferentes campos de la ingeniería.

En los sistemas de regulación automática.

Máquinas Síncronas

Se usan como generadores de c.a. de frecuencia industrial (50 ó 60 Hz) en las CC. EE., así como generadores de alta frecuencia (en los barcos, aviones, etc.). En los sistemas de mando eléctrico de gran potencia se usan motores síncronos. En los dispositivos automáticos se usan máquinas síncronas, con imanes permanentes, de paso y otros.

Máquina de C.C.

Se usan como generadores y motores en los sistemas de mando eléctrico que requieran flexibilidad en la regulación de velocidad: en los ferrocarriles, en el transporte marítimo, en laminadores, en grúas; también en casos cuando la fuente de energía eléctrica son baterías acumuladoras.

Micro máquinas

Cuya potencia varía de décimas de watt hasta 500 w. Estas máquinas trabajan tanto en C.A. como en C.C., así como a altas frecuencias (400 - 200 Hz).

De pequeña potencia

0.5 - 10 kW. funcionan tanto en c.a. como en c.c. y, en frecuencia normal (50 - 60 Hz ó más).

De potencia media

10 kW hasta varios cientos de kW.

De gran potencia

Mayor de 100 kW. Por lo general las máquinas de media y gran potencia funcionan a frecuencia industrial.

De baja velocidad : con velocidad menor de 300 r.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.).

Materiales Ferromagnéticos Los materiales ferromagnéticos, compuestos de hierro y sus aleaciones con cobalto,

tungsteno, níquel, aluminio y otros metales, son los materiales magnéticos más comunes y se utilizan para el diseño y constitución de núcleos de los transformadores y maquinas eléctricas. En un transformador se usan para maximizar el acoplamiento entre los devanados, así como para disminuir la corriente de excitación necesaria para la operación del transformador. En las maquinas eléctricas se usan los materiales ferromagnéticos para dar forma a los campos, de modo que se logren hacer máximas las características de producción de par.

Estos materiales han evolucionado mucho

con el paso del tiempo lo que implica mas

eficiencia, reducción de volúmenes y costo,

en el diseño de transformadores

y maquinas eléctricas.

Propiedades de los materiales ferromagnéticos Aparece una gran inducción magnética al aplicarle un campo magnético.

Permiten concentrar con facilidad líneas de campo magnético, acumulando densidad de flujo magnético elevado.

Se utilizan estos materiales para delimitar y dirigir a los campos magnéticos en trayectorias bien definidas.

Permite que las maquinas eléctricas tengan volúmenes razonables y costos menos excesivos.

Características de los materiales ferromagnéticos Pueden imanarse mucho más fácilmente que los demás materiales. Esta característica viene

indicada por una gran permeabilidad relativa.

Tienen una inducción magnética intrínseca máxima.

Se imanan con una facilidad muy diferente según sea el valor del campo magnético. Este atributo lleva una relación no lineal entre los módulos de inducción magnética y campo magnético.

Un aumento del campo magnético les origina una variación de flujo diferente de la variación que originaria una disminución igual de campo magnético. Este atributo indica que las relaciones que expresan la inducción magnética y la permeabilidad como funciones del campo magnético, no son lineales ni uniformes.

Conservan la imanación cuando se suprime el campo.

Tienden a oponerse a la inversión del sentido de la imanación una vez imanados.

Materiales ferromagnéticos para transformadores:

La aleación ferromagnética más utilizada para el diseño de núcleos de transformadores es la aleación hierro-silicio, esta aleación es la producida en mayor cantidad y esta compuesta por hierro esencialmente puro con 1-6% de silicio, dependiendo este porcentaje del fin a que se destine el material. Dando a esta aleación un tratamiento térmico adecuado, se obtiene un material que comparado con el hierro, tiene mejores propiedades magnéticas para campos magnéticos débiles, una resistividad mayor y sufren perdidas totales menores en el núcleo. Esta aleación se lamina en chapas y flejes, principalmente de espesores comprendidos entre 0,35 y 0,635 mm recocidos; en el lenguaje corriente se le conoce con el nombre de acero al silicio o Chapa magnética.

Las chapas de mejor calidad presentan mayor contenido en silicio, entre el 4 y el 5. El silicio eleva la dureza del material, por lo que su porcentaje se determina según el empleo al que se designa la chapa. Para maquinas rotatorias el limite superior es aproximadamente del 4%, teniendo en cuenta el peligro de la fragilidad. También se prefieren chapas de menor contenido de silicio cuando las densidades de funcionamiento son elevadas o cuando se desea una elevada conductividad calorífica. Las perdidas en el núcleo y el coeficiente de envejecimiento aumentan al disminuir el contenido de silicio.

La fabricación de la chapa magnética ha llegado a estar normalizada en considerable extensión por lo que los datos magnéticos publicados por diversos fabricantes no se diferencian, calidad por calidad, excesivamente.