ING. GUSTAVO SALAS VILLALTA

CONCEPTOS GENERALES DE MAQUINAS ELÉCTRICAS

INTRODUCCIÓNEn 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 principios básicos del fenómeno de la inducción electromagnética.

Estos principios son aplicados a las máquinas eléctricas que son 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.

Elementos a través de los cuales recibe la energía del exterior bajo forma dada

Máquina

Eléctrica

ENTRADA

Elementos a través de las cuales la energía se entrega bajo una forma distinta salvo el caso de los transformadores

SALIDA

CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS

SEGÚN EL TIPO DE CORRIENTE ELÉCTRICA CON LA CUAL OPERAN

A.-Máquinas de Corriente ContinuaGeneradores 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

CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS

CLASIFICACIÓN POR NIVEL DE POTENCIA A.-Micromáquinas.-Cuya potencia varía de

décimas de watt hasta 500w. Estas máquinas trabajan tanto en C.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 ó más).

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 a frecuencia industrial.

CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS

CLASIFICACIÓN POR FRECUENCIA DE GIRO

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.).

Las micro máquinas se diseñan para velocidad es de algunos r.p.m. hasta 6000 r.p.m.

CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS CLASIFICACIÓN MODERNA DE LAS

MÁQUINAS ELÉCTRICAS

A.-Máquinas Eléctricas Estáticas Transformadores Convertidores e Inversores

B.-Máquinas Eléctricas Rotativas Generadores Eléctricos Motores Eléctricos (De Corriente Continua /

De Corriente Alterna)

CARACTERÍSTICAS COMUNES DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS Es necesario definir las características

fundamentales de las máquinas eléctricas:1.Potencia2.Tensión3.Corriente4.Factor de Potencia5.Frecuencia6.Rendimiento7.El Campo Magnético

1.POTENCIA En general es la potencia útil, que entrega o produce

una máquina eléctrica en sus terminales de salida. De allí que, la POTENCIA ÚTIL en los Generadores y Transformadores es la “POTENCIA ELÉCTRICA” lo que comúnmente llamamos potencia en los bornes, mientras que en los Motores es la “POTENCIA MECÁNICA”, llamado también potencia en el eje.

POTENCIA NOMINAL Es la potencia útil disponible que entrega o produce

en régimen 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

LA POTENCIA QUE FIGURA EN LAS PLACAS CARACTERISTICAS SON LAS POTENCIAS NOMINALES

POTECIA NOMINAL DE

UN GENERADOR

POTECIA NOMINAL DE UN MOTOR

POTECIA NOMINAL DE

UN TRANSFORMAD

OR

Potencia Aparente en los

bornes del Secundario

Potencia Aparente en los

bornes del Secundario

Potencia Mecánica

disponible en el eje de Salida

POTENCIA ELECTRICA = POTENCIA APARENTEPOTENCIA APARENTE(S) Es la Potencia Eléctrica Total de una

máquina eléctrica que involucra tanto a la Potencia Activa como la Potencia Reactiva.

Sistema Monofásico S=VxI Sistema Trifásico S=√3xVxI

La unidad es el VOLTIO–AMPERIO(VA)

POTENCIA ACTIVA (P)

Es la parte de la Potencia Eléctrica que realmente se transforma en el accionamiento 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/s

P= (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 minuto

P = (HPx0,746 ) / (η) P= Potencia Activa en KW HP= Potencia Mecánica en HP η= Eficiencia de la Máquina

POTENCIA REACTIVA (Q) Es la parte de la Potencia Eléctrica que crea los

campos magnéticos.

Sistema Monofásico Q = V x I x senθ Sistema Trifásico Q = √3 x V x I x senθ

La unidad es el VOLTIO AMPERIO REACTIVO (VAR)

Potencia Reactiva Capacitiva o Potencia Reactiva Suministrada

Potencia Reactiva Inductiva o Potencia Reactiva Absorbida

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 casos dependen 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 o recibir y ceder si es transformador o recibir si es motor, en el lugar donde se instalan.

V servicio máximo admisible = 1,15 VN

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.

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

5.-FRECUENCIA(f)

Es el numero de oscilaciones periódicas completas de la onda fundamental durante un segundo.

En los generadores de corriente alterna la frecuencia esta dada por:

f = P. n / 60

P=Par de polos de la máquina n=revoluciones por minuto(RPM)

6.-RENDIMIENTO(η) Es la relación entre la potencia suministrada y la

potencia absorbida por la máquina.

7.-EL CAMPO MAGNÉTICO Denominado también INDUCCIÓN MAGNÉTICA o

DENSIDAD DE FLUJO MAGNÉTICO. Un campo magnético es un campo de fuerza creado

como 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 parámetros correspondientes a los diferentes material es magnéticos recorridos por dichos campos.

Se desprecian la interacción de las corrientes de desplazamiento en las leyes de MAXWELL, debido a que las frecuencias de 50Hz y 60Hz usados en las máquinas eléctricas son realmente bajas y consecuencia se considera la conversión casi estática, para todos los efectos del cálculo.

A partir de lo expuesto, la manera como el campo actúa en las diferentes máquinas eléctricas, se pueden describir mediante los cuatro principios básicos:

1. Al circular corriente por un conductor se produce un campo magnético alrededor de él. Esta es la base de la PRODUCCION DE CAMPO MAGNÉTICO.

2. Si a través de una espira se pasa un campo magnético variable 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 encuentra dentro 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 inmerso dentro de un campo magnético, en dicho conductor se induce un voltaje. Esta es la base de la ACCION GENERADORA

PRODUCCIÓN DEL CAMPO MAGNÉTICO La Ley Básica que gobierna la producción de un campo magnético, por

una corriente eléctrica es la Ley de Ampere que establece lo siguiente: “AL CIRCULAR UNA CORRIENTE ELECTRICA “I” POR UN

CONDUCTOR SE PRODUCE UN CAMPO MAGNÉTICO DE INTENSIDAD “H” ALREDEDOR DE EL”

EN CONCLUSIÓN: Según la Ley de Ampere, la integral tangencial de “H” a lo

largo de la trayectoria cerrada “l”, es igual a la corriente encerrada por la trayectoria. Cuando la trayectoria cerrada es atravesada “N” veces por la corriente “I”, entonces un total de NI amperios atraviesa la trayectoria cerrada, la cual produce una intensidad “H”, con ello la Ley de Ampere para una bobina de “N” espiras establece:

CONCLUSIÓN: El campo magnético producido por la

corriente “NI”, es definida por su Intensidad “H”, su Densidad “B” y la Magnitud de Flujo “φ” , la cual recorre una trayectoria cerrada promedio “lm” de sección transversal “A” de un núcleo de material magnético (hierro) cuya permeabilidad es “μ”.