Máquinas Eléctricas

1. Máquinas Eléctricas Por: Edwin Neto El trabajo presente consta de una pequeña síntesis del estudio de máquinas eléctricas.

2. 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

3. Objetivos • Explicar los principios de funcionamiento de las máquinas eléctricas. • Aplicar los fundamentos en la operación de máquinas eléctricas.

4. Conversión de energía electromecánica. • La conversión de energía electromecánica es el paso que se da entre energía eléctrica y mecánica o viceversa, que ocurre a través del campo eléctrico o magnético creado por un dispositivo de conversión • El principio de conversión electromecánica de energía podemos resumir en las ecuaciones siguientes: La ecuación 1 calcula la variable (e) en función de una variable mecánica (v) y el campo. (B)

5. Ecuación 1 • La ecuación 2 una variable mecánica (F) en función de una variable eléctrica (i) y el campo (B). Ecuación 2 • Ecuaciones del convertidor electromecánico que dependen del conductor y el campo que se muevan: Ecuación 3

6. Circuitos Magnéticos • Son estructuras compuestas de material ferromagnético de alta permeabilidad en su gran totalidad, por la que circula una fuerza magnetomotriz • Ejemplo

7. El Transformador • Un transformador es una máquina electromagnética que permite aumentar o disminuir la tensión manteniendo igual la potencia de entrada con la de salida. • Esta compuesto de dos o más devanados aislados entre si y acoplados con un flujo magnético, y un núcleo de material ferromagnético para realizar inducción entre el devanado primario y secundario; esta diseñado para el procesamiento de potencia con un desempeño de pocas pérdidas y una baja caída de tensión • En la figura se puede observar una construcción básica de material ferromagnético de estructura tipo núcleo, donde el flujo magnético establecido por el devanado primario enlaza al devanado secundario por medio de un camino cerrado llamado núcleo.

8. 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 de dispersión debido a la permeabilidad finita del núcleo; para este análisis se presenta la técnica del circuito equivalente. • En el transformador se considera el flujo que enlaza el devanado principal dividido en dos componentes: El primer flujo debido a la corriente principal y secundaria llamado flujo mutuo, el segundo el flujo de dispersión que enlaza el devanado principal o secundario respectivamente. • El flujo de dispersión de dispersión produce una reactancia inductiva de dispersión principal que se determina a partir de: • El flujo de dispersión en el devanado secundario de la misma forma que en el principal, produce una reactancia inductiva dada por:

9. Circuito equivalente transformador tiene como base un transformador Ideal Circuito equivalente referido al primario Circuito equivalente referido al lado del secundario

10. Pruebas Aplicadas a un Transformador • Prueba de corto circuito • La prueba nos da la siguiente información: La impedancia de dispersión equivalente del transformador, la resistencia equivalente referida al lado de alta y la reactancia de dispersión equivalente referida al lado de alta.

11. 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.

12. Tipos de transformadores Los transformadores son utilizados en varias aplicaciones desde la generación, transporte y distribución de la energía; los tipos de transformadores son: Según su aplicación: Transformadores de potencia, de protección, de distribución, 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 en el presente capítulo. El análisis de cada uno de estos dejamos para materia de los siguientes cursos Transformadores de potencia. Son utilizados en la subtransmisión, y transmisión de la energía eléctrica de alta y media tensión; generalmente este tipo de transformadores se lo puede encontrar en las centrales de generación de energía eléctrica, en las subestaciones transformadoras.

13. Máquinas Rotativas Principios Generales: • La máquina eléctrica, es un dispositivo de conversión de energía electromecánica; Si la conversión de energía es de eléctrica a mecánica se llama motor y si la conversión es de mecánica a eléctrica se denomina generador. Este particular analizamos en la unidad 1. • En las máquinas eléctricas rotativas los voltajes se generan en los devanados o en el grupo de bobinas: al hacer girar estos devanados de manera mecánica a través de un campo magnético, al girar mecánicamente un campo magnético por el devanado o al diseñar el circuito magnético de manera que la reluctancia varié con al rotación. • En la figura 22 se observa una máquina eléctrica rotativa, la parte fija se denomina estator, la parte móvil rotor, tanto el estator como el rotor están compuestos de devanados por donde circula corriente; la corriente es suministrada al devanado del rotor por medio de escobillas fijas y a través de anillos deslizantes montados en el rotor.

14. Maquina rotativa elemental Las máquinas eléctricas convencionales tienen varios elementos comunes que permiten realizar modelos analíticos generalizados. En general tenemos diferentes tipos de máquinas eléctricas rotativas que cumplen diferentes funciones, pero con los mismos principios de construcción y funcionamiento.

15. Tipos de Máquinas Eléctricas Rotativas • Generador. Este tipo de máquina transforma la energía mecánica en eléctrica. La podemos encontrar en las centrales hidráulicas de generación eléctrica estas son accionadas mediante turbinas que pueden ser hidráulicas o a vapor; también encontramos en los equipos de transporte y son accionados mediante motores de combustión interna o turbinas a vapor, además se utiliza en equipos de comunicación como fuente de energía. • Motor. Este tipo de máquina transforma la energía eléctrica en mecánica. Se puede encontrar en industrias, en la agricultura, en los electrodomésticos, en equipos de comunicación, en sistemas automáticos de control, en general en dispositivos que sirven para accionar mecanismos que controlan algún proceso o realizan algún trabajo mecánico. • Compensadores electromecánicos. Máquinas que generan o absorben potencia reactiva en los sistemas eléctricos de potencia para mejorar la eficiencia eléctrica. • Máquinas de Corriente Continua. Máquinas que se alimentan o general corriente del tipo continua. • Máquinas de corriente alterna. Máquinas que se alimentan o generan corriente alterna. • Las máquinas en dependencia de su funcionamiento y de su sistema magnético se clasifican en: Máquinas de corriente continua, máquinas de inducción, máquinas sincrónicas; dedicamos la mitad del capítulo al análisis de estas máquinas ya que dentro de este grupo se ubican la gran mayoría de máquinas citadas anteriormente y estas funcionan como motor o generador y se aplican ampliamente dependiendo de su uso y construcción para las cuales fueron creadas.

16. Tipos de Máquinas Eléctricas Rotativas Según Construcción Máquinas Sincrónicas. • La máquinas sincrónica es un convertidor electromecánico de energía compuesto de una parte móvil denominada rotor y una parte fija denominada estator, ambas partes están construidas de material ferromagnético en donde se ubican los devanados. En el estator se aloja el devanado de armadura o inducido que es alimentado con tensión trifásica, y en el rotor se encuentra el devanado de campo o inductor alimentado con tensión continua. • Al aplicar un juego de corrientes trifásicas simétricas y equilibradas en el bobinado del estator, se genera, un campo magnético rotativo que gira a frecuencia angular. Si por otro lado se tiene al rotor girando a la misma velocidad del campo magnético rotativo producido por el estatory se inyecta una corriente continua al campo, se producirá un campo magnético rotativo producido por el giro mecánico también a la velocidad sincrónica. • Las máquinas sincrónicas son utilizadas como generadores para convertir grandes cantidades de energía primaria en energía eléctrica; también pueden utilizarse como motores en los lugares donde se necesita velocidad constante; estos motores sincrónicos tienen la característica de trabajar tomando o entregando potencia reactiva, la dificultad para usar esta máquina como motor es que no desarrolla par de arranque, pero si se incluye en el rotor un devanado auxiliar de jaula de ardilla es posible obtener un par de aceleración y sincronizarse con la red.

17. Máquinas Sincrónica de Rotor Cilíndrico • Para el análisis de esta máquina, el entrehierro es constante, esto implica tener un circuito magnético no variable. • La maquina puede representarse mediante la tensión E en serie con una resistencia (ra) de la armadura de la máquina y una reactancia sincrónica Xs. • En la figura se representa la reactancia sincrónica de la máquina de rotor cilíndrico. • Circuito Equivalente de la Máquina Sincrónica de Rotor Cilíndrico • En la figura 25 se representa el circuito equivalente de la máquina sincrónica de rotor cilíndrico; la impedancia ZS es igual a la suma de la resistencia de armadura más la reactancia sincrónica

18. Máquina Sincrónica de Polos Salientes • Las máquinas sincrónicas de polos salientes son de baja velocidad y de gran número de polos; la reluctancia magnética a lo largo del polo es baja y alta en la zona interpolar, por tanto la corriente de armadura (Ia) producirá mayor flujo en la zona de baja reluctancia (zona polar) de nominado “eje directo” que en la zona interpolar denominado “eje de cuadratura” es decir la reactancia es variable y varia según la posición del rotor. • Este hecho fue introducido por “Andrés Blendel. La teoría propone descomponer las fuerzas magnetomotrices dadas en dos componentes mutuamente perpendiculares, una a lo largo del polo saliente de rotor, conocida como eje directo (o eje d) y la otra en cuadratura, conocida como eje de cuadratura (o eje q)” En la figura reacción de armadura máquina sincrónica de polos salientes

19. Máquinas Inducción • La máquina de inducción tiene un gran éxito funcionando como motor en aplicaciones industriales de potencia; esta compuesta de un rotor que es un trozo de metal con incrustaciones de hierro y cobre y un estator que se parece al primario de un transformador; toda la energía eléctrica es proporcionada desde el estator hacia el rotor. Los flujos producidos por las corrientes del estator generan un campo magnético rotatorio que corta a los conductores del rotor, y de esta forma se obtiene sobre ellos fuerza electromotriz inducida que es utilizada para forzar corrientes en los ejes, directo y axial del rotor. Al interactuar el campo magnético rotatorio del estator con el campo magnético rotatorio originado por las corrientes que circulan en el rotor se produce el torque eléctrico. El fenómeno descrito, similar a la operación de un transformador, ha permitido la construcción de una máquina de gran difusión industrial debido a que por su sencillez, esta máquina resulta económica, robusta y de poco mantenimiento ya que no tiene escobillas ni contactos móviles con el rotor. • En muy contados casos esta máquina se puede utilizar como generador por ejemplo en conversión de energía eólica, mini centrales eléctricas, con el propósito único de minimizar costo.

20. Circuito Equivalente Máquina de Inducción • El circuito equivalente de la maquina de inducción es semejante al de un transformador, esto se debe a la transformación que existe al inducir corrientes en el rotor, desde el estator. • Suponiendo que el rotor está parado (ωm = 0, S = 1) podemos construir un circuito equivalente monofásico igual al del transformador tal como se indica en la figura siguiente Circuito equivalente general

21. Máquinas Corriente Continua • Las máquinas de corriente continua u homo polares, se denomina así por que están energizadas por una fuente de corriente continua a demás se caracterizan por adaptarse a diferentes funciones debido a las diversas combinaciones de conexiones posibles a los devanados; los devanados se pueden conectar en derivación (shunt), en serie y excitación separada de los campos, lo que le da un amplio rango de volt-ampere y velocidad-torque, tanto para funcionamiento dinámico como para estado estacionario. Debido a la facilidad con la que se pueden controlar, a menudo se usan en sistemas que necesiten un amplio rango de velocidad y preciso control de torque. En los últimos años la tecnología de sistemas de control de estado sólido se ha desarrollado lo suficiente para controladores de corriente alterna (ca), y por lo tanto se comienzan a ver dichos sistemas en aplicaciones que antes se asociaban casi exclusivamente con las máquinas de cc

22. Principio de Funcionamiento de la Máquina de Corriente Continua. • La máquina de corriente continua se utiliza para generar una tensión constante cuando funciona como generador y para producir par mecánico (torque) cuando funciona como motor. • El principio de funcionamiento como generador se basa en la ley general de la inducción electromagnética. La máquina tiene básicamente dos arrollamientos, uno ubicado en el estator cuya función es crear un campo magnético por lo que se le denomina inductor. El otro arrollamiento está ubicado en el rotor y se denomina inducido ó armadura; básicamente se fundamenta en la inyección de corriente continua tanto en el circuito estator y rotor. Diagrama de la máquina de corriente continua.

23. Aplicaciones Máquinas Eléctricas • El mundo de hoy esta construido sobre el avance del sector de la industria; las máquinas eléctricas abarca gran parte del desarrollo industrial y económico. • Las constantes investigaciones han ido mejorando para que las máquinas eléctricas sean eficientes, de gran rendimiento y más que todo proporcionen gran seguridad al sector industrial. • Las máquinas eléctricas están utilizadas en la vida cotidiana desde el uso de un foco hasta los suministros de gran potencia; este avance ha hecho que las máquinas estén inmersas a diferentes cambios y mejoras; en estos párrafos siguientes analizamos la aplicabilidad de las máquinas eléctricas estudiadas en los capítulos anteriores:

24. 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 estos transformadores son de gran potencia. • Los transformadores de distribución se utilizan para la distribución de energía eléctrica de media tensión; se encuentran en las zonas urbanas, rurales, en las industrias, en la minería, en general en toda actividad que requiera la utilización de energía eléctrica. • Los transformadores de corriente y los transformadores de voltaje utilizados en general dentro de la industria para toma de muestras de corriente y de voltaje respectivamente, reducirla y a un nivel medible y seguro, que actúa en 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 de generar distribuir y consumir energía eléctrica.

25. Máquina Sincrónica. • Las máquinas sincrónicas operando como generadores, están en las grandes centrales hidráulicas, térmicas y nucleares; este tipo de máquina genera la mayor parte de energía eléctrica, como motor no es muy usual encontrar dentro de la industria debido a que muy pocos impulsadores funcionan a velocidad constante y no se desarrolla el par de arranque. • Las máquinas sincrónicas de rotor liso se utilizan en los sectores de la industria en donde deben operar en altas velocidades en el rango de 3000- 3600 rpm; y, las máquinas sincrónicas de polos salientes en sectores donde se operan a menor velocidad.

26. Máquina de Inducción. • Las máquinas de inducción son los convertidores electromecánicos más utilizados dentro de la industria, debido a su construcción sencilla y robusta, con una tasa de fallas muy reducidas; en pocos casos es utilizado como generador, como motor tiene amplias aplicaciones estas son: Ventiladores, bombas, tornos, compresores, transportadores, troqueladoras y cortadoras

27. Maquinas de Corriente continua • Son ampliamente utilizadas en la industria donde se requiere control de par y de velocidad debido a su alta velocidad de respuesta. Puede utilizarse como generador y como motor, con diferentes tipos de conexiones y control de arranque y velocidad, aquí en los diferentes campos que se utiliza las máquinas de corriente continua: motores de tracción, grúas móviles, trenes eléctricos, motores de arranque, motores para ventiladores, y en general en muchas aplicaciones de control como activadores, sensores de velocidad y de posición.

28. 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 creado por 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

29. ¿Cuál es la constitución de un transformador? Un transformador esta constituido básicamente de un núcleo de material ferromagnético y dos devanados que respectivamente se denominan primario y secundario. • ¿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 campo con mayor densidad. • B. Es el movimiento relativo entre un campo magnético y un conductor de electricidad para generar una fuerza electromotriz. • Subraye: ¿Fuerza electromagnética? • Interacción o fuerza que actúa sobre partículas de carga eléctrica. • Interacción transmitida por los bosones vectoriales.

30. ¿A que se debe que la máquina sincrónica se llame así? • Debido a que su operación realiza a la velocidad sincrónica, esto es, a la velocidad mecánica equiva1ente a la velocidad de rotación de campo magnético rotativo producido por las corrientes del estator. • ¿Dibuje el circuito equivalente de la máquina de inducción? • ¿Enuncie el principio de funcionamiento de la máquina de corriente continua? • El principio de funcionamiento se basa en la ley general de la inducción electromagnética. La máquina tiene básicamente dos arrollamientos, uno ubicado en el estator cuya función es crear un campo magnético y el otro arrollamiento está ubicado en el rotor y se denomina inducido ó armadura; mediante estos se realiza la inyección de corriente continua tanto en el circuito estator y rotor creando el torque necesario para mover una carga.

31. 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/