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UNIVERSIDAD DE COLIMA
Coquimatln, Col, 2015
Ingeniera Mecnica y Elctrica
Luis Contreras
Mquinas Elctricas III
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CONCEPTOS BASICOS
MQUINAS ELCTRICAS
Una mquina elctrica es un dispositivo que transforma la energa cintica en energa elctrica o viceversa, pasando sta energa por una etapa de almacenamiento en un campo magntico.
Se clasifican en tres grandes grupos: generadores, motores y transformadores.
Los generadores transforman energa mecnica en elctrica, mientras que los motores transforman la energa elctrica en energa mecnica, pueden ser de CC y CA. Los transformadores conservan la forma de la energa elctrica pero transforman sus caractersticas.
Una mquina elctrica tiene un circuito magntico y dos circuitos elctricos. Normalmente uno de los circuitos elctricos se llama excitacin, porque al ser recorrido por una corriente elctrica produce los amper-vueltas necesarios para crear el flujo establecido en el conjunto de la mquina.
La principal razn del usos de la energa elctrica es, que como tal, es la energa mas eficiente y limpia, con la facilidad de transmisin y control a grandes distancias.
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CONCEPTOS BASICOS
Movimiento Rotacional, Ley de Newton y Relaciones de Potencia
Antes de empezar, es importante comprender el movimiento rotacional de las mquinas elctricas, debido a que es su forma natural de operacin.
Posicin Angular,
Es el ngulo medido desde un punto de referencia arbitrario, hasta un punto de referencia sobre el eje del rotor. Sus unidades de medida pueden ser: radianes (rad), grados (deg). La notacin convencional es: (+) durante la rotacin anti-horaria y () durante la rotacin en sentido horario.
Velocidad Angular,
Se define la velocidad angular como el cambio de la posicin angular con respecto del tiempo.
( / )d
rad segdt
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CONCEPTOS BASICOS
Aceleracin Angular,
Se define la aceleracin angular como el cambio de la velocidad angular con respecto del tiempo.
Torque, T
Es el producto de la fuerza aplicada a un objeto por la distancia perpendicular de la lnea de accin de la fuerza y el eje de rotacin del objeto.
22
2( / )
d drad seg
dt dt
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CONCEPTOS BASICOS
Trabajo, W
Es definido como el producto de un Torque por una distancia angular.
Potencia, P
Es la velocidad con la que se realiza un trabajo o la velocidad de transferencia de energa, y se define como el producto del torque por la velocidad:
Esta ecuacin puede describir la potencia mecnica sobre el eje de un motor o generador.
( )W T joules
P T
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CONCEPTOS BASICOS
Ley de Movimiento de Newton
La segunda Ley de Newton para un objeto en movimiento rotacional establece una relacin entre los torques aplicados al objeto y la aceleracin angular producida sobre el objeto, como un resultado de los torques aplicados.
T - Torque J momento de inercia aceleracin angular
T J
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EL CAMPO MAGNTICO
En las Mquinas Elctricas, los CAMPOS MAGNTICOS son los medios fundamentales por el cual la energa es convertida desde una forma a otra.
Existen cuatro principios bsicos que describen cmo se utilizan los campos magnticos.
Un conductor que conduce corriente elctrica produce un campo magntico a su alrededor. (Ley de Ampere)
Un campo magntico variable en el tiempo induce un voltaje en una bobina de alambre si pasa a travs de sta. (Ley de Faraday)
Un conductor que conduce corriente en presencia de un campo magntico experimenta una fuerza inducida sobre l.
Un conductor elctrico que se mueva en presencia de un campo magntico tendr un voltaje inducido en l.
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Relaciones de energa
Que es un sistema electromecnico?
Son los sistemas elctricos y mecnicos, que mediante el acoplamiento por
los campos Electromagnticos y Electrostticos convierten la energa de
un sistema a otro. Ambos campos de acoplamientos (Electromagnticos y
Electrostticos ) pueden existir simultneamente.
Para este sistema, se desprecia la radiacin electromagntica y se asume
que el sistema opera a una frecuencia lo suficientemente baja tal que el
sistema elctrico puede considerarse como un sistema de parmetros
concentrados.
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Relaciones de energa
Perdidas por calor ocurrirn en el sistema mecnico debido a la friccin,
mientras que el sistema elctrico disipara calor debido a la resistencia de
los conductores al fluir corriente elctrica a travs de ellos.
Corrientes de Eddy (corrientes parasitas o Foucault) y perdidas por
histresis ocurrirn en todo material ferromagntico conduciendo un flujo
magntico, mientras que perdidas dielctricas ocurrirn en campos
elctricos.
Considerando el total de energa que entrega un fuente elctrica y el total
de energa que entrega un sistema mecnico se tiene,
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Relaciones de energa
donde, WeS es la energa almacenada en los campos elctricos o magnticos que no son acoplados con el sistema mecnico. WeL son las perdidas por calor (resistencia) asociadas al sistema elctrico. We es la energa transferida al campo de acoplamiento por el sistema elctrico. WmS es la energa (cintica) almacenada en las partes mviles del sistema
mecnico. WmL son las perdidas de energa del sistema mecnico en forma de calor (friccin). Wm es la energa transferida al campo de acoplamiento.
La energa total transferida al campo de acoplamiento es definida como,
donde, Wf es la energa almacenada el el campo de acoplamiento yWfL es la energa disipada en forma de calor dentro del campo de acoplamiento
(histresis, eddy o perdidas dielctricas).
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Relaciones de energa
La ley de conservacin de la energa en el sistema electromecnico implica,
As,
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Relaciones de energa
El proceso de convertir energa elctrica en mecnica (o viceversa) es
independiente de:
Las perdidas de energa en cualquiera de los sistemas elctrico o mecnico
(WeL-WmL ).
La energa almacenada en el campo elctrico magntico que no son comunes
a ambos sistemas.
La energa almacenada en el sistema mecnico.
Si las perdidas por acoplamiento son despreciadas se tiene,
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CLASIFICACIN DE LAS MQUINAS
ELCTRICAS
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CLASIFICACIN DE LAS MQUINAS
ELCTRICAS
Todas las mquinas elctricas rotativas
son reversibles
Pueden funcionar como motor o como
generador
Motor Conversin de Energa Elctrica en Energa Mecnica
Generador Conversin de Energa Mecnica
en Energa Elctrica
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CLASIFICACIN DE LAS MQUINAS
ELCTRICAS
Sistema Elctrico
Maquina Elctrica
Sistema Mecnico
Flujo de energa como MOTORMOTOR
Flujo de energa como GENERADORGENERADOR
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CLASIFICACIN DE LAS MQUINAS
ELCTRICAS
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MQUINA DE INDUCCIN
La invencin de la mquina de induccin se debe a dos personas: Galileo Ferrari (1885) y
Nicola Testa (1886). Sus mquinas de induccin se muestran en la figura.
Ambas versiones eran motores alimentador por sistemas bifsicos de CA. Tenan dos
devanados con terminales 1-1 y 2-2 arrollador en el ncleo ferromagntico del estator.
En la patente de Ferrari el rotor era un cilindro de cobre, mientras que la versin de Tesla
consista de un rotor cilndrico ferromagntico con devanados cortocircuitados.
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MQUINA DE INDUCCIN
Aunque a travs del siguiente siglo las topologas de los motores de induccin se han vuelto
mas elaboradas y se lograron mejores rendimientos, el principio de funcionamiento ha
permanecido bsicamente igual.
En 1889, Dolivo-Dobrovolsky invent el motor de induccin de rotor devanado y
posteriormente el rotor jaula de ardilla en una topologa muy similar a la utilizada hoy en
da. Tambin invent el rotor doble jaula de ardilla.
Alrededor de 1900 ya estaba listo para su uso industrial masivo, de tal forma que para 1910
era ya posible encontrar motores de induccin capaces de impulsar locomotoras hasta una
velocidad de 200 km/h.
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MQUINA DE INDUCCIN
Las Mquinas de Induccin son los ms utilizados en la industria.
Estos motores tienen la peculiaridad de que no precisan de un campo magntico en el rotor
alimentado con corriente continua como en los casos del motor de CD o del motor sncrono.
Una fuente de corriente alterna alimenta al estator.
El estator est
constituido por material
ferromagntico en cuyo
interior existen p pares de
bobinas colocados
simtricamente en un
ngulo de 120. Se
alimentan voltajes
sinusoidales y las bobinas
del estator se transponen
continuamente creando
un campo giratorio.
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MQUINA DE INDUCCIN
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MQUINA DE INDUCCIN
La densidad de flujo variante en el tiempo generada por las corrientes del estator, cortaran
las conductores del rotor y generan una tensin inducida en ellos.
El resultado es un conjunto de corrientes distribuidas sinusoidalmente en las barras
cortocircuitadas del rotor.
Si observamos las barras del rotor desde arriba tenemos un campo magntico movindose
respecto al rotor. Esto induce una corriente muy elevada en las barras del rotor, que
apenas ofrecen resistencia, pues estn cortocircuitadas por los anillos finales.
El rotor desarrolla entonces sus propios polos magnticos, los cuales son, por turnos,
arrastrados por el campo magntico giratorio del estator.
Eje de giro B
i
F
Corrientes y fuerzas inducidas en la jaula
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MQUINA DE INDUCCIN
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MQUINA DE INDUCCIN
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MQUINA DE INDUCCIN
Rotor de jaula de Ardilla
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MQUINA DE INDUCCIN
Rotor bobinado
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MQUINA DE INDUCCIN
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MQUINA DE INDUCCIN
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MQUINA DE INDUCCIN
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MQUINA DE INDUCCIN
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MQUINA DE INDUCCIN
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MQUINA DE INDUCCIN