Máquinas Eléctricas

Máquinas Eléctricas

FUNDAMENTOS DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS

Introducción

A el conjunto de “motores eléctricos”, que son los dispositivos que transforman la energía eléctrica en energía mecánica. “Los generadores” que son los que transforman energía mecánica en energía eléctrica y “los transformadores” que cambian los valores de magnitud de tensión e intensidad de corriente utilizando para ello fenómenos electromagnéticos se les conoce como máquinas eléctricas.

Los motores y generadores son máquinas rotativas pues producen o utilizan energía mecánica, en forma de movimiento circular a través de un eje.

El transformador se considera una máquina eléctrica pues utiliza el flujo magnético para su funcionamiento pero a diferencia de los motores y generadores, son estáticos, no hay movimientos mecánicos en su funcionamiento.

Todos estos elementos son importantes en la vida moderna, para la generación para la distribución de la energía eléctrica a nuestros hogares, comercios e industrias y dentro de cada uno de estos lugares en los procesos de fabricación, sistemas de bombeo, elevadores, bandas transportadoras, compresores entre otros.

Clasificación General

Estáticas

Rotativas

Principios de Electromagnetismo.

Los campos magnéticos son el mecanismo fundamental para convertir la energía de una forma a otra en motores, generadores y transformadores.

Existen cuatro principios básicos que describen cómo se utilizan los campos magnéticos en estos aparatos:

Un conductor por el que circula corriente produce un campo magnético a su alrededor.

Un campo magnético variable en el tiempo induce un voltaje en una bobina de alambre si pasa a través de ella (Ley de Faraday, principio de funcionamiento del transformador).

Un conductor que porta corriente en presencia de un campo magnético experimenta una fuerza mecánica que lo desplaza (principio del motor).

En conductor eléctrico que se mueva cortando líneas de fuerza de un campo magnético se inducirá una tensión eléctrica en sus extremos. (Principio generador).

El funcionamiento y comportamiento de las máquinas eléctricas se explica mediante la combinación de los principios mencionados anteriormente por lo cual es imprescindible e importante conocer cada uno de ellos más detalladamente.

Espiras y bobinas por las que circula corriente eléctrica.

Un conductor recto que transporte corriente no tiene polos. Tan pronto como el conductor toma la forma de un aro (espira), adquiere las características polares de un imán. Agregando mas espiras se forma una bobina, de esta forma se concentra el campo magnético que produce cada vuelta de alambre.

Determinación de los polos en una bobina

Se utiliza la regla de la mano derecha como se muestra en la siguiente figura.

Los dedos índice a meñique señalan el sentido convencional de la corriente en la bobina y el dedo pulgar indica el polo Norte.

Propiedades del flujo magnético

Las leyes que gobiernan las propiedades del flujo magnético son muy útiles para explicar el funcionamiento de una gran variedad de equipos eléctricos que usan circuitos magnéticos, estas leyes son:

No existe aislante para el flujo magnético; pasa a través de todos los materiales.

Las líneas de fuerza son curvas cerradas que atraviesan el imán y el espacio alrededor del mismo.

Estas curvas, semejantes a bandas de goma estiradas, tienden a acortarse en sentido longitudinal.

Las líneas de fuerza tienen dirección: salen del polo norte y entra al polo sur.

Las líneas de fuerza nunca se cruzan entre sí.

Las líneas magnéticas en la misma dirección tienden a aglomerarse sin tocarse.

Las líneas magnéticas atraviesan fácilmente los materiales magnéticos y prefieren fluir por materiales magnéticos y no por el aire o materiales diamagnéticos.

Flujo magnético (Φ) weber (Wb)

La unidad de medida del flujo magnético para el sistema internacional es el weber y se simboliza Wb.

Un weber puede definirse solamente en función de la variación de flujo en un conductor de una sola vuelta.

Un weber es la cantidad de variación de flujo necesaria en un segundo para inducir un voltio en el conductor.

Cuando un flujo de 1Wb cambia a través de una bobina de 3 vueltas en dicha bobina se inducen 3V

Densidad de flujo, Tesla (T)

La cantidad de flujo por unidad de área de una sección plana se llama densidad de flujo y se simboliza con la letra griega beta (β). La unidad de medida es el tesla símbolo T.

Un tesla es igual a un weber por metro cuadrado.

Especificando densidad de flujo en lugar de flujo también es más fácil comparar circuitos magnéticos de distintos tamaños físicos.

Fuerza magnetomotriz (fmm) - ampere-vuelta (At)

Como vimos anteriormente la fuerza magnética de una bobina depende del número de vueltas y de la intensidad de corriente que circule por el conductor.

Entre más vueltas tenga más fuerte será el flujo, de igual manera entre más alta sea la intensidad que circula más fuerte será el efecto magnético de la bobina.

Al producto de la intensidad de corriente que circula por el cable que forma una bobina y el número de vueltas con que esta está formada se denominan fuerza magnetomotriz se representa fmm y se calcula con la siguiente fórmula:

fmm=N × I

Donde:

fmm: Fuerza magnetomotriz en Amperes-vuelta.

N: número de vueltas de la bobina.

I: intensidad de corriente que circula por el conductor de la bobina(A).

Utilizamos el amperio-vuelta como unidad básica de la fuerza magnetomotriz. Un ampere-vuelta es la fuerza magnetomotriz creada por una amperio al circular por una espira de alambre de una vuelta. Tres amperios-vuelta de fuerza magnetomotriz son iguales a tres amperios por una vuelta o a un amperio por tres vueltas.

Ejemplo:

¿Cuál es la fmm de una bobina si circula una corriente de 1.3A por el conductor que la forma y esta tiene 20 vueltas?

fmm=1.3A ×20 vueltas=26 Avuelta

Intensidad de campo magnético (H)

La intensidad del campo magnético nos indica lo intenso que es el campo magnético. La intensidad de campo en una bobina depende de la fuerza magnetomotriz (N•I). Ahora bien, cuanto más larga sea la bobina, más se dispersan las líneas de campo, dando como resultado una intensidad de campo más débil; por lo que se puede decir que, para una fuerza magnetomotriz constante, la intensidad de campo (H) es inversamente proporcional a la longitud media de las líneas de campo, tal como se expresa en la siguiente ecuación:

Donde:

H = Intensidad del campo en amperio-vuelta/metro (Av/m)

N = Nº de vueltas de la bobina

I = Intensidad de la corriente (A)

L = Longitud de la bobina (m)

Curvas de magnetización de los materiales

Las curvas de magnetización de los materiales muestran como se comporta la densidad de flujo en el material como respuesta a una fuerza magnetizadora.

No todos los materiales alcanzan densidades de flujo altas como las que necesitan en máquinas eléctricas, además, algunos materiales presentan remanencia en cambio otros materiales presentan bajas remanencias.

Histéresis

Cuando un material ferromagnético, sobre el cual ha estado actuando un campo magnético, cesa la aplicación de éste, el material no anula completamente su magnetismo, sino que permanece un cierto magnetismo residual.

Para desimantarlo será precisa la aplicación de un campo contrario al inicial.

Este fenómeno se llama histéresis magnética, que quiere decir, inercia o retardo.

Los materiales tienen una cierta inercia a cambiar su campo magnético.

La figura representa el llamado CICLO DE HISTERESIS (también lazo o bucle de histéresis) de un determinado material magnético. Se supone que una bobina crea sobre dicho material magnético una intensidad de campo H, el cual induce en ese material magnético una inducción (valga la redundancia) de valor B.

Así a una intensidad de campo H0 le corresponderá una inducción de valor B0.

Si ahora aumenta H (aumentando la corriente que circula por la bobina) hasta un valor H1, B también aumentará hasta B1. (Ver figura)

Pero si ahora restituimos H a su valor inicial H0, B no vuelve a B0, sino que toma un valor diferente B2. (Obsérvese que el camino "a la ida" es distinto que "a la vuelta" lo que implica que para restituir la inducción en el núcleo a su primitivo valor, es preciso aplicar una corriente suplementaria de signo opuesto).

El punto S representa la saturación del núcleo magnético. Una vez saturado el núcleo, B no puede aumentar por mucho que lo haga H.

Cada material tiene su propio lazo de histéresis característico. Hay veces en que interesa acentuar la histéresis, como ocurre en los núcleos de las memorias magnéticas, por lo que se fabrican

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