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