MAQUINAS ELECTRICAS

Tema: Introduccin a los principios de las mquinas elctricas

Expositor: Luis Alberto Ruiz Cuadrado

OCTUBRE 2014 1

Contenido

1) Las mquinas elctricas en la vida diaria.

2) Movimiento rotatorio, Ley de Newton y relaciones de potencia.

3) El campo magntico

4) La ley de Faraday

5) Fuerza inducida en un alambre

6) Voltaje inducido en un conductor.

7) Potencias real y aparente 2

1)Las mquinas elctricas en la vida diaria

o Una mquina elctrica es un dispositivo que puede transformar la energa

mecnica en energa elctrica o energa elctrica en energa mecnica.

o El transformador es una mquina elctrica que no se ajusta a la definicin

anterior.

El transformador es un dispositivo que convierte energa elctrica de corriente

alterna de cierto nivel de voltaje en energa elctrica de corriente alterna de otro

nivel de voltaje.

o Tanto motores, como generadores y transformadores operan sobre los

mismos principios fsicos.

o Las mquinas elctricas son muy comunes y utilizadas debido a que no

emiten desechos contaminantes, adems que su transportacin y

produccin es ms simple que otros tipos de energa.

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Movimiento rotatorio

o Dos de los tres grandes grupos de mquinas elctricas son rotatorios y

rotan sobre un eje llamado eje de la mquina.

o La parte giratoria de las mquinas puede girar nicamente en dos sentidos:

En Sentido de las Manecillas del Reloj. (SMR)

En Sentido Contrario a las Manecillas del Reloj. (SCMR)

o Los conceptos principales del movimiento rotatorio y que utilizaremos a lo

largo del curso sern:

Posicin Angular () ngulo en el que se sita un objeto, medido desde algn punto de

referencia arbitrario. Se mide en radianes.

Velocidad Angular () Tasa de cambio de la posicin angular con respecto al tiempo.

Obedece a la expresin:

=

(Se mide en radianes por segundo)

2) Movimiento rotatorio, Ley de Newton y relaciones de Potencia.

4

Aceleracin Angular () Tasa de cambio de la velocidad angular con respecto al tiempo. Se

mide en radianes por segundo al cuadrado.

=

Par-Torque () Es la fuerza de torsin aplicada a un objeto. Cuando mayor sea la fuerza de

torsin aplicada a un objeto en revolucin, ms rpido girar este objeto.

Las Unidades del Par son Newton-Metro.

2) Movimiento rotatorio, Ley de Newton y relaciones de Potencia.

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senFr

senrF

larperpendicunciataDisAplicadaFuerza

Movimiento rotatorio

Ley de Rotacin de Newton Describe la relacin existente entre el par aplicado a un

objeto y su aceleracin angular resultante.

=

Donde: J es el momento de inercia del cuerpo en rotacin y se mide en Kg-Metro

Trabajo (W) Se define como la aplicacin de un par a lo largo de un ngulo.

=

Potencia

Potencia (P) Es la tasa a la cual se incrementa el trabajo realizado con respecto al tiempo.

La potencia se mide en Watts

2) Movimiento rotatorio, Ley de Newton y relaciones de Potencia.

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P

ttt

WP

o Como se indic anteriormente, los campos magnticos son el mecanismo

fundamental para convertir la energa de una forma a otra en Motores,

Generadores y Transformadores.

o Los principios bsicos bajo los cuales se utilizan los campos magnticos

son:

i. El conductor que porta corriente produce un campo magntico a su alrededor.

ii. Un campo magntico variable en el tiempo induce un voltaje en una bobina de

alambre si pasa a travs de ella. (Principio bsico de funcionamiento del

transformador).

iii. Un conductor que porta corriente en presencia de un campo magntico

experimenta una fuerza inducida sobre l. (Principio bsico de funcionamiento

del motor).

iv. Un conductor elctrico que se mueva en presencia de un campo magntico

tendr un voltaje inducido en l. (Principio bsico de funcionamiento del

generador).

3)El campo magntico

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o Las lneas de campo magntico:

Tienen direccin y sentido

Forman lazos cerrados de un polo Norte a un Sur

No se cruzan o interceptan

Son tensionales, elsticas, buscan los caminos de mnima reluctancia

magntica

Se refractan al pasar a medios de distinta reluctancia magntica

Atraviesan todo material y el vaco

3)El campo magntico

o El flujo de campo magntico se miden en:

Maxwell o lneas. Sistema U.S.

Weber. Sistema Internacional

1 WEBER = 108 LINEAS

8

Produccin de un campo magntico

3)El campo magntico

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AmperedeLey netIdlH

.:

:

::

tegracinindeatrayectoriladegolarloaldiferenciaElementodl

HproducequeyconductordeltravzapasaqueCorrienteI

IcorientelaporproducidamagnticocampodeIntensidadHDonde

neta

neta

H

I

dl

metroporVueltaAmperesH

AmperesI

:

:

3)El campo magntico

10

.:

.:

.:

.:

.:

:

ntegracinidencleodeltravsapasaqueCorrienteI

espiracadadetravsapasaqueCorrientei

ncleodelmediaLongitudL

ncleoelcompuestoestquedelticoferromagnMaterialFe

devanadodelvueltasdeNmeroN

Elementos

neta

n

iNIiI

magnticocampoelinducequeCorriente

neta

N

o

neta

:

n

n

L

iNH

iNLH

comoresadaquedaraAmperedeleyLa

:exp

.

,

magnticocampoun

establecerporcorrienteinadatermde

unahacequeesfuerzodelmedidalaes

HmagnticocampodeIntensidadLa

3)El campo magntico

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La densidad del flujo de campo magntico, B, un vector, se mide en:

Maxwell o lneas/ Pulgada cuadrada.

Weber / metro cuadrado = Tesla *

Valores de Densidad de flujo, B, de:

El campo magntico de la Tierra = 50 Teslas.

Las mquinas elctricas estndar = 1 a 2 Teslas.

Los laboratorios de aceleracin de partculas = 3 a 25 Teslas

1 Tesla = 1 (Newton/(Amperio.metro) = 104 Gauss

3)El campo magntico

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H B

TB

H

TeslascuadradometroporWebersmagnticoFlujodeDensidad

metroporHenrysmagnticocampounestablecerpara

relativafacilidadlaepresentaRmaterialdelmagnticadadPermeabili

metroporVueltaAmperesmagnticocampounestablecerpor

corrienteladeesfuerzoelepresentaRmagnticocampodeIntensidad

Donde

.:

.

.:

.

.:

:

o Ahora, la relacin entre la intensidad del campo magntico H y la densidad

del flujo magntico resultante B producida dentro del material, obedece a

la siguiente expresin:

mH

libreespacioendadPermeabili

7

0 104

:

0

:

r

relativadadPermeabili

3)El campo magntico

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Los materiales se clasifican:

El vaco (Referencia) 0 = 4 10-7

1. Paramagntico, para efectos prcticos similar al vaco

2. Diamagntico, para efectos prcticos similar al vaco

3. Ferromagntico: Hierro, Nquel, Cobalto y las

denominadas Tierras Raras.

3)El campo magntico

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o La permeabilidad magntica en los metales es mucho mayor que la del aire

(La permeabilidad del hierro es por ejemplo de 3000 a 6000 veces mayor).

o En la figura mostrada, el campo

magntico va a preferir circular por el

ncleo de hierro que circular por el

aire, el cual presenta una

permeabilidad mucho ms baja.

o Si trabajamos un poco con las expresiones vistas hasta

ahora, tenemos:

AL

iNABdAB

L

iNHB

n

n

3)El campo magntico

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La regla de la mano derecha

Si se coloca los dedos ndice, medio, anular y

meique en direccin de la corriente elctrica que

circula en una bobina, el dedo pulgar seala la

direccin del campo magntico producido.

Fe Fe

3)El campo magntico

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Circuito magntico de un transformador

Las expresiones que describen el comportamiento de un circuito magntico

son anlogas a las expresiones que describen el comportamiento de un

circuito elctrico.

iN

VueltasAmpereFmm

rzmagnetomotFuerza

:

3)El campo magntico

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Al igual que el voltaje en el circuito elctrico, en el circuito magntico la

fuerza magnetomotriz tiene una polaridad asociada a ella.

Por el terminal positivo (+) el flujo sale y por el terminal negativo (-) el

flujo retorna.

En una bobina, la polaridad de la fuerza magnetomotriz puede

determinarse mediante la regla de la mano derecha:

Si la curvatura de los dedos de la mano

derecha apunta en la direccin del flujo de

corriente de la bobina, el dedo pulgar

apuntar en la direccin positiva de la

Fmm.

Circuito magntico de un transformador

3)El campo magntico

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En un circuito elctrico el voltaje aplicado ocasiona un flujo de corriente I.

En forma similar, en un circuito magntico, la fuerza magnetomotriz

aplicada ocasiona un flujo .

La relacin entre la Fuerza Magnetomotriz y el Flujo est dada por:

Circuito magntico de un transformador

La reluctancia es la oposicin que presentan los materiales al

paso del flujo magntico

3)El campo magntico

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Si trabajamos un poco con la ecuacin del flujo magntico, tendremos:

Circuito magntico de un transformador

La reluctancia es la oposicin que presentan los materiales al

paso del flujo magntico

3)La ley de Faraday

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La ley de Faraday describe el principio en el cual se basa del

funcionamiento del transformador.

La ley de Faraday establece que si un flujo

atraviesa una espira de alambre conductor, se

inducir en sta un voltaje directamente

proporcional a la tasa de cambio del flujo con

respecto al tiempo.

Si una bobina tiene N espiras, y el mismo flujo circula en todas y cada una

de las bobinas, el voltaje inducido en toda la bobina estar dado por:

3)La ley de Faraday

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El signo menos en la ecuacin es una expresin de la ley de Lenz, la cual

establece que la direccin del voltaje inducido en la bobina es tal que

si los extremos de sta estuvieran en cortocircuito, se producirla en

ella una corriente que generara un flujo opuesto al cambio del

flujo inicial.

3)La ley de Faraday

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La magnitud del voltaje en la i-sima espira de la bobina est dada siempre por:

Si hay N espiras en la bobina, el voltaje total en sta es

oconcatenadFlujo

PREGUNTAS

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