PAGE Mquinas Elctricas

UNIDAD 1FUNDAMENTOS DE LAS MQUINAS ELCTRICASOBJETIVO:

1.1. Introduccin

Se puede decir que la electrnica es una extensin de la electricidad, aparecida como consecuencia de los avances en la evolucin de la ciencia elctrica. En electrnica, se trabaja tambin con todos los principios elctricos, ya que cualquier sistema electrnico, por simple o complicado que sea, se alimenta con energa elctrica, y por tanto, ya existe un proceso elctrico.

La electricidad es un tipo de energa, y como tal, capaz de realizar trabajo. Al igual que ocurre con la fuerza magntica, no es visible, pero su existencia queda claramente manifiesta por los efectos que produce.Una mquina elctrica es un dispositivo que puede convertir energa mecnica en energa elctrica o convertir energa elctrica en energa mecnica. Cuando dicho dispositivo se usa para convertir energa mecnica en energa elctrica se llama generador. Asimismo, cuando convierte energa elctrica en energa mecnica, se le denomina motor. Puesto que una mquina elctrica puede convertir potencia en uno u otro sentido, cualquier mquina se puede usar como generador o como motor. Prcticamente, todos los motores y generadores convierten energa de una forma en otra, mediante la accin de un campo magntico. Figura 1-1.

Figura 1-1

Otro dispositivo estrechamente relacionado con los campos magnticos es el transformador. Un transformador, es un dispositivo que convierte energa elctrica de corriente alterna con un nivel de voltaje en energa elctrica con otro nivel de voltaje (manteniendo constante la potencia). Como los transformadores operan bajo los mismos principios que los generadores y los motores, dependiendo de la accin de un campo magntico para efectuar el cambio en el nivel de voltaje, usualmente se estudian junto con los generadores y motores.

Estos tres tipos de dispositivos elctricos estn presentes en todos los aspectos de la vida moderna:

En el hogar, por ejemplo, los motores elctricos accionan neveras, congeladores, aspiradoras, batidoras, ventiladores, aire acondicionado y muchos otros equipos similares. En los sitios de trabajo, proporcionan la fuerza motriz para casi todas las herramientas.

Los generadores, son necesarios para suministrar la potencia utilizada por todos estos motores. Los transformadores, son parte fundamental en la transmisin y distribucin de la energa elctrica.

Por qu son tan comunes los transformadores, generadores y los motores elctricos? La respuesta es muy simple: la potencia elctrica es una fuente de energa limpia y eficiente. Un motor elctrico, no requiere de la ventilacin permanente, ni del sistema de combustible que necesita una mquina de combustin interna, por lo cual resulta muy apropiado para usos en ambientes donde la contaminacin asociada con la combustin resulta altamente perjudicial. La conversin de energa trmica o mecnica en energa elctrica puede efectuarse en sitios distantes, luego transmitirse por alambres hasta el sitio donde ha de utilizarse en cualquier casa, oficina o fbrica. Los transformadores colaboran en este proceso reduciendo las prdidas de potencia entre el sitio de generacin de la energa elctrica y el sitio de su utilizacin.Sistema de Unidades

El diseo y el estudio de las mquinas elctricas es una de las reas ms antiguas de la ingeniera elctrica. Sus inicios datan de finales del siglo diecinueve. En ese entonces las unidades elctricas comenzaron a estandarizarse internacionalmente y llegaron a ser utilizadas por los ingenieros de todo el mundo. Voltios, amperios, ohmios, vatios y unidades similares que forman parte del sistema mtrico fueron empleadas para describir cantidades elctricas referidas a las mquinas.

Sin embargo, en los pases de habla inglesa, la medicin de las cantidades mecnicas se realizaba, con el sistema ingls de unidades (pulgadas, pies, libras, etc.) y esta prctica se extendi al estudio de las mquinas elctricas. Por esta razn, durante mucho tiempo las cantidades elctricas y mecnicas de las mquinas se han medido con diferentes sistemas de unidades.

En 1954 se adopt como norma internacional un sistema de unidades basado en el sistema mtrico. Este sistema de unidades se conoce como el sistema internacional (SI) y ha sido aceptado en casi todo el mundo. Estados Unidos, es el nico reacio a su utilizacin. Inclusive la Gran Bretaa y Canad, se han pasado al sistema internacional (SI).

Con el tiempo, el nuevo sistema de unidades, inevitablemente se convertir en norma en los Estados Unidos y las corporaciones internacionales lo usarn de manera regular en un futuro. Sin embargo, debido a que son muchas las personas que actualmente usan el sistema ingls, ste permanecer por algn tiempo. En la actualidad, los estudiantes de ingeniera deben familiarizarse con los dos sistemas de unidades puesto que habrn de encontrar referencias de ambos en su vida profesional.1

1.2 Ley de Faraday, Lenz y Fleming.

La mnima expresin de carga elctrica la constituye el electrn y el protn. Al ser de magnitud tan pequea, se establece como unidad de carga elctrica el culombio , que equivale a la carga de aproximadamente seis trillones de electrones.

Campo elctrico

Las cargas elctricas dan lugar tambin a lo que se conoce por campo elctrico, lo cual se puede manifestar experimentalmente. Se trata de una fuerza similar a la magntica, invisible, de accin a distancia, y que puede ser de atraccin o repulsin. Se puede decir, que existe una fuerza de campo elctrico en un cierto punto del espacio. Si en dicho punto se ejerce fuerza sobre cualquier otro tipo de carga. As la situacin de un cuerpo cargado elctricamente puede ejercer cierta fuerza sobre otras cargas situadas a su alrededor, y en cierta regin del espacio se dice que existe un campo elctrico.

De otra manera, el concepto de carga elctrica se ha establecido como una especie de porcin de electricidad capaz de ejercer una influencia en otras porciones que existan en su proximidad. La regin que rodea una carga es, por tanto, donde se manifiestan las fuerzas elctricas; esta regin se llama campo elctrico.

Michael Faraday desarroll una ingeniosa ayuda para visualizar los campos elctricos. El mtodo consiste en representar tanto la intensidad como la direccin de un campo elctrico por medio de lneas imaginarias llamadas lneas de campo elctrico.

Las lneas de campo elctrico son lneas imaginarias trazadas de tal manera que su direccin en cualquier punto es la misma que la direccin del campo elctrico en ese punto.

La intensidad del campo elctrico, , en un punto del espacio se define como: la fuerza, , que se ejerce sobre la unidad de carga elctrica positiva, , situada en dicho punto.

La permisividad del espacio libre (vaco) es una constante de espaciamiento, fundamental para determinar la intensidad de campo elctrico en una superficie esfrica cerrada. En clculos ms complejos sobre este tema, se estima que tiene un valor de:

Donde de la ley de Coulomb.

Campo magntico

Todo imn est rodeado por un espacio en el cual se manifiestan sus efectos magnticos. Dichas regiones se llaman campos magnticos. As como las lneas de campo magntico, llamadas lneas de flujo, son muy convenientes para visualizar los campos magnticos. La direccin de una lnea de flujo en cualquier punto tiene la misma direccin de la fuerza magntica que actuara sobre un imaginario polo norte aislado y colocado en ese punto. Las lneas de flujo magntico salen del polo norte de un imn y entran en el polo sur. A diferencia de las lneas de campo elctrico, las lneas de flujo magntico no tienen puntos iniciales o finales.

La densidad de flujo magntico, , en una regin de un campo magntico

La unidad del flujo magntico en el SI es el weber . La unidad de densidad de flujo debe ser entonces webers por metro cuadrado, que se redefine como tesla . Una antigua unidad, que todava se usa hoy es el gauss .

Permeabilidad magntica

La densidad de flujo en cualquier punto ubicado en un campo magntico se ve afectada fuertemente por la naturaleza del medio o por la naturaleza del material que se ha colocado en dicho medio. Por esta razn, es conveniente definir el concepto de intensidad de campo magntico, , la cual no depende de la naturaleza de un medio. En cualquier caso, el nmero de lneas establecidas por unidad de rea es directamente proporcional a la intensidad del campo magntico .

Donde la constante de proporcional es la permeabilidad del medio a travs del cual pasan las lneas de flujo. Puede pensarse en la permeabilidad de un medio como una caracterstica que constituye la medida de su capacidad para establecer lneas de flujo magntico. Cuanto mayor sea la permeabilidad del medio, ms lneas de flujo pasarn a travs de la unidad de rea.

La permeabilidad del espacio libre (vaco) se denota con y tiene la siguiente magnitud en unidades del SI:

Por lo tanto, en el caso del vaco:

Si un material no magntico, como la mica, se coloca en un campo magntico, la distribucin del flujo no cambia apreciablemente en relacin con la del vaco. Sin embargo, cuando un material altamente permeable, como el hierro dulce, se coloca en el mismo campo, la distribucin del flujo se altera considerablemente. El material permeable se puede magnetizar por induccin, lo que da por resultado una mayor intensidad de campo para esa regin. Por este motivo, la densidad de lujo tambin se conoce como induccin magntica.

Los materiales magnticos se clasifican de acuerdo a su permeabilidad, comparada con la que le corresponde al espacio vaco. La razn de la permeabilidad del material con respecto a la correspondiente al vaco se llama permeabilidad relativa y se expresa en esta forma:

La permeabilidad relativa de un material es una medida de su capacidad para modificar la densidad de flujo de un campo a partir de su valor en el vaco.

Los materiales con una permeabilidad relativa ligeramente menor que la unidad, tienen la propiedad de ser repelidos por un imn fuerte. Se dice que tales materiales son diamagnticos, por ejemplo, el bismuto y el benceno. Es una propiedad de los materiales por la cual se magnetizan dbilmente en sentido opuesto a un campo magntico aplicado. Los materiales diamagnticos son repelidos dbilmente por los imanes. El magnetismo inducido desaparece si lo hace el campo aplicado.

Los materiales con una permeabilidad ligeramente mayor que la del vaco son paramagnticos. Estos materiales son atrados dbilmente por un imn poderoso. Es una propiedad de los materiales por la que se magnetizan en la misma direccin que un campo magntico aplicado. Si el campo magntico aplicado desaparece, tambin lo hace el magnetismo inducido.

Slo unos cuantos materiales, como el hierro, cobalto, nquel, acero y aleaciones de estos metales, tienen permeabilidad extremadamente altas, que van desde algunos cientos hasta varios miles de veces mayores que la correspondiente al espacio vaco. De dichos materiales, que son fuertemente atrados por un imn, se dice que son ferromagnticos. Un material ferromagntico acaba perdiendo sus propiedades magnticas cuando se calienta. Esta prdida es completa por encima de una temperatura conocida como punto de Curie, llamada as en honor del fsico francs Pierre Curie, que descubri el fenmeno en 1895. (El punto de Curie del hierro metlico es de unos 770 C).

Relaciones entre los campos elctricos y magnticosUn campo elctrico puede producir un campo magntico. Pero el proceso inverso tambin es cierto: un campo magntico puede generar un campo elctrico. Una corriente elctrica se genera mediante un conductor que tiene un movimiento relativo con respecto a un campo magntico. Una bobina giratoria en un campo magntico induce una fem alterna, la cual origina una corriente alterna. A este proceso se le llama induccin electromagntica y es el principio de operacin en el cual se basan muchos dispositivos elctricos.

Ley de FaradayMichael Faraday (1791-1867), fsico y qumico britnico, conocido principalmente por sus descubrimientos de la induccin electromagntica y de las leyes de la electrlisis.

Las investigaciones que convirtieron a Faraday en el primer cientfico experimental de su poca las realiz en los campos de la electricidad y el magnetismo. En 1821 traz el campo magntico alrededor de un conductor por el que circula una corriente elctrica (la existencia del campo magntico haba sido observada por vez primera por el fsico dans Hans Christian Oersted en 1819). En 1831 Faraday descubri la induccin electromagntica, y el mismo ao demostr la induccin de una corriente elctrica por otra.

Faraday descubri que

Cuando las lneas de flujo magntico son cortadas por un conductor, se produce una fem entre los extremos de dicho conductor. Esta fem que se induce es debido al movimiento relativo entre el conductor y el campo magntico. Tambin, la magnitud de la fem generada en una espira es proporcional a la rapidez de variacin del flujo magntico en la unidad de tiempo.

Cuanto mayor sea la cantidad de lneas de fuerza cortadas por la espira y ms rpido sea el movimiento, mayor es la magnitud de fem inducida. Esto se conoce por la ley de Faraday de la induccin electromagntica. Matemticamente es expresada por:

Esta frmula es la expresin matemtica de una velocidad; en este caso, la de variacin del flujo magntico. El signo negativo es para indicar que la fem inducida ser siempre de signo tal que se opondr a la causa que la origina (ley de Lenz). Cuando se trata de especificar nicamente el valor absoluto de la fem, se puede prescindir de dicho signo.

La inducida se mide en volts; as, se tiene que

En el caso de una bobina de espiras (vueltas de la bobina), como stas estn en serie, la inducida es la suma de las inducciones en cada espira. Se tiene entonces:

Por ejemplo, se induce una corriente elctrica en el conductor de la figura 1-2a, a medida que ste se mueve hacia abajo, atravesando las lneas de flujo. Cuanto ms rpido sea ese movimiento, tanto ms pronunciada ser la desviacin de la aguja del galvanmetro. Cuando el conductor se mueve hacia arriba a travs de las lneas de flujo se puede hacer una observacin similar, excepto que en ese caso la corriente se invierte, figura 1-2b. Cuando no se cortan las lneas de flujo, por ejemplo si el conductor se mueve en direccin paralela al campo, no se induce corriente alguna.

Figura 1-2

Figura 1-3Ley de Lenz

En todos los estudios acerca de los fenmenos fsicos, hay un principio que sirve de gua y que se destaca sobre todos los dems: el principio de la conservacin de la energa. No puede existir una fem sin una causa. Siempre que una corriente inducida produce calor o realizar trabajo mecnico, la energa necesaria debe provenir del trabajo efectuado para inducir la corriente.

Un polo norte de un imn introducido en una bobina induce una corriente que a su vez origina otro campo magntico. El segundo campo produce una fuerza que se opone a la fuerza original. Si se retira el imn se crea una fuerza que se opone a la retirada del imn. Por tal, la ley de Lenz es:

Una corriente inducida fluir en una direccin tal que por medio de su campo magntico se opondr al movimiento del campo magntico que lo produce.

La fuerza electromotriz inducida se opone siempre a la causa que la origina

Cuanto ms trabajo se realiza al mover el imn en la bobina, mayor ser la corriente inducida y, por lo tanto, mayor la fuerza de resistencia. ste era el resultado esperado a partir de la ley de la conservacin de la energa. Para producir una corriente ms intensa se debe realizar una mayor cantidad de trabajo.

La direccin de la corriente inducida en un conductor recto que se mueve a travs de un campo magntico se puede determinar por la ley de Lenz. Sin embargo, existe un mtodo ms fcil, se conoce como regla de Fleming, o regla de la mano derecha:Regla de Fleming:

Si el pulgar, el dedo ndice y el dedo medio de la mano derecha se colocan en ngulo recto entre s, apuntando con el pulgar en la direccin en la que se mueve el alambre, y apuntando con el ndice en la direccin del campo (N a S), el dedo medio apuntar en la direccin convencional de la corriente inducida.

Figura 1-4A veces, se recuerda esta regla memorizando movimiento-flujo-corriente. stas son las direcciones indicadas por el pulgar, el ndice y el dedo medio, respectivamente. Figura 1-4.Intensidad de campo magntico en la bobina

En una bobina de longitud mucho mayor que su dimetro, la intensidad de campo se concentra en su interior. La fuerza magntica que se genera en su interior, que se denomina intensidad de campo magntico , viene dada por la magnitud de su fuerza magnetomotriz dividida entre su longitud ()

Este dato representa el poder magntico que existe dentro de la bobina. Como unidad de intensidad magntica () se utiliza normalmente el (amperio-vuelta/metro), o simplemente .

As, como se deduce, la intensidad magntica que produce una bobina es inversamente proporcional a su longitud, o sea, cuanto ms corta sea mayor ser su intensidad magntica.

Densidad de flujo magntico en la bobina

En un solenoide, la intensidad magntica viene dada por:

Se deduce que:

Siendo el factor de permeabilidad magntica del medio.

As, pues, la induccin magntica que generan las bobinas depende, adems de sus dimensiones y del valor de la fmm, de si tienen o no ncleo de hierro. (En realidad, todas las bobinas tienen ncleo; cuando se habla de una bobina sin ncleo, se refiere a que no se emplea un material ferromagntico como ncleo, pero s que tiene ncleo: el aire).

En el caso de las bobinas sin ncleo de hierro, el factor de permeabilidad es el del aire, y aqu, la induccin magntica aumenta siempre proporcionalmente al valor de la intensidad magntica (a medida que aumenta la corriente elctrica, va aumentando tambin la induccin). Al introducir un ncleo de hierro en la bobina, para un mismo valor de intensidad magntica, se produce un fuerte aumento de la induccin, puesto que la permeabilidad del hierro es mucho mayor que la del aire. En este caso, la densidad de flujo aumenta proporcionalmente a la corriente de excitacin slo hasta un cierto valor, ya que a medida que va aumentando la corriente, se va magnetizando el ncleo (aumenta el nmero de imanes elementales que se van orientando). Cuando se llega aun punto de magnetizacin tal que todos los imanes elementales del ncleo quedan orientados, el hierro ya no puede seguir magnetizndose ms, y ya no puede contribuir a que aumente ms la densidad de flujo, auque siga aumentando la corriente de excitacin; se dice entonces que el ncleo est saturado, se han agotado los imanes elementales por orientar.

Ciclo de Histresis

Cuando un material ferromagntico est sometido a una intensidad de campo magntico como ocurre, por ejemplo, al utilizarlo como ncleo en las bobinas-, tras desaparecer la excitacin magntica siempre queda algo de magnetismo en el material; esto se llama magnetismo remanente o residual. O sea, no queda desimantado del todo; para conseguirlo, es necesario someter al material a otra cierta intensidad de campo magntico pero de sentido contrario al anterior. Esta intensidad que hay que aplicar para eliminar el magnetismo remanente se llama fuerza magntica coercitiva. Esto se representa grficamente por la denominada curva de histresis, que muestra la relacin entre la induccin magntica (B) que adquiere el material y la intensidad magntica de excitacin (H).

B

H

1.3 Generador y motor elemental

Generador elemental

Un generador elctrico convierte la energa mecnica en energa elctrica. Sabemos que se induce una fem en un conductor cuando ste experimenta un cambio en el acoplamiento inductivo. Cuando el conductor forma un circuito cerrado, se puede detectar en l una corriente inducida. En un generador, una bobina de alambre se hace girar dentro de un campo magntico, y la corriente inducida se transmite mediante alambres a grandes distancias del lugar donde se origin.

La figura 1-5, muestra la construccin de un generador simple. Bsicamente est formado por tres componentes: un imn conductor, una armadura y anillos colectores con escobillas. El inductor puede ser un imn permanente o un electroimn. La armadura del generador consta de una sola espira de alambre suspendido entre los polos del imn inductor. Un par de anillos colectores se conectan a los dos extremos de la espira; por lo tanto, dichos anillos giran junto con la espira cuando sta gira en el campo magntico. La corriente inducida es extrada del sistema mediante escobillas de grafito que se montan sobre cada uno de los anillos la energa mecnica se le suministra al generador al gira la armadura en el campo magntico. La energa elctrica se genera en forma de una corriente inducida.

La direccin de la corriente inducida debe obedecer la regla de Fleming de movimiento-flujo-corriente.

Figura 1-5Motor elctrico elemental

En un motor elctrico, un momento de torsin magntico provoca que una espira, por la cual fluye corriente, gire un campo magntico constante. Sabemos que una bobina que gira en un campo magntico inducir una fem que se opone a la causa que la origina. Esto es cierto incluso en el caso de que una corriente ya estuviera fluyendo por la espira. Por lo tanto, cualquier motor es al mismo tiempo un generador. De cuerdo con la ley de Lenz, una fem inducida de ese tipo debe oponerse a la corriente que se suministra al motor. Por esta razn, a la fem inducida en un motor se le llama fuerza contraelectromotriz (fcem). Figura 1- 6.

El efecto de una fuerza contraelectromotriz es reducir el voltaje neto que se suministra a las bobinas de la armadura del motor.

Figura 1-6Describir las leyes elctricas y magnticas que caracterizan el funcionamiento de las mquinas elctricas, as como los dispositivos elctricos ms elementales en la generacin y consumo de la energa elctrica.

EMBED Equation.3 electrones

EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3

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Saturacin

Prdidas por histresis

Magnetismo remanente (B)

Fuerza

coercitiva

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Ing. Ignacio Chvez Arcega Unidad 1

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_1153109201.vsdMquinaElctrica(generador)

MquinaElctrica(Motor)

EnergaElctrica

Movimiento angular

EnergaMecnica

Voltaje

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