Conceptos Básicos de las Maquinas Eléctricas

Vocacional Monseñor Sanabria.

Electrotecnia.

Mantenimiento de Maquinas Eléctricas

Ficha de Aprendizaje: Fundamentos de Maquinas Eléctricas.

Alumno: Marvin Daniel Arley Castro.

Sección: 11-9.

2014.

Onda Senoidal Una onda senoidal es una señal de corriente alterna que varia a través del tiempo.

Ósea cada cierto tiempo ella va a cambiar su polaridad siendo negativa o positiva . Esta comprendida por dos niveles de voltaje un pico negativo y pico positivo cuya suma dará un Voltaje pico pico "Vpp" de la onda sinusoidal y dividiendo eso entre dos ( la mitad ) conoceremos el valor del pico positivo y el negativo que seria la amplitud de la onda.

Cada cierto tiempo lo cual es conocido como periodo y se mide en segundos y el inverso de esto se denomina frecuencia, mientras mayor sea la frecuencia mas rápido ira la onda (mas rápido cambiara de polaridad) a pesar de que una onda sinusoidal cambia su polaridad constantemente. El flujo de esta corriente por cualquier conductor ira siempre en sentido positivo de - a +.

Valor Eficaz o RMS Es el valor de la tensión en corriente continua que se produce

sobre una resistencia la misma disipación de potencia que la onda.También se define como una medida del efecto de calentamiento del voltaje de Ca comparado con el de un voltaje de Cd equivalente.

También un valor en RMS de una corriente es el valor, que produce la misma disipación de calor que una corriente continua de la misma magnitud.

El valor efectivo de una onda alterna se obtiene multiplicando su valor máximo por 0.707. Entonces VRMS = VPICO x 0.707

Armónico o Armónica Un armónico es cualquier voltaje o corriente cuya

frecuencia es un múltiplo entero de (2, 3, 4, etc., veces) la frecuencia de línea. Considere un conjunto de ondas senoidales en el que la frecuencia más baja es f y todas las demás son múltiplos enteros de f. Por definición, la onda seno que tiene la frecuencia más baja recibe el nombre de fundamental y las otras el de armónicos.

La siguiente figura muestra la resultante de la superposición de distintos armónicos de una serie. Esta imagen muestra la resultante de superponer el segundo y el tercer armónico de una seria, es decir dos sonidos separados por un intervalo de quinta. Resultante de la superposición del segundo y tercer armónico:

Impedancia La impedancia (Z) es la medida de oposición que presenta

un circuito a una corriente cuando se aplica un voltaje. La impedancia extiende el concepto de resistencia a los circuitos de corriente alterna (CA), y posee tanto en magnitud y fase, a diferencia de la resistencia, que sólo tiene magnitud. Cuando un circuito es accionado con corriente continua (CC), no hay distinción entre la impedancia y la resistencia; este último puede ser pensado como la impedancia con ángulo de fase cero.

Reactancia Capacitiva Se puede definir como la posición de un capacitor a

la corriente sinusoidal, la unidad es el ohm. La reactancia capacitiva es el tipo de reactancia que se opone al cambio del voltaje por lo cual se dice que la corriente (i) adelanta al voltaje (v) por 90°, por lo cual al representar este desfasamiento en un diagrama de onda senoidal o de fasores la corriente irá 90° adelante del voltaje .

Reactancia Inductiva En este caso la corriente será la que sea adelantada por el

voltaje puesto que la reactancia inductiva se opone a los cambios de voltaje. La reactancia inductiva es la oposición o resistencia de un inductor al flujo de la corriente sinusoidal por un circuito eléctrico cerrado las bobinas o enrollados hechos con alambre de cobre, ampliamente utilizados en motores eléctricos, transformadores de tensión o voltaje y otros dispositivos. Esta reactancia representa una “carga inductiva” para el circuito de corriente alterna donde se encuentra conectada.

Campo Magnético Consiste en líneas de fuerza que se irradian desde le

polo norte (N) hasta el polo sur (S) y de regreso al polo norte a través del material magnético en un imán o material con flujo magnético.

Densidad de Campo Magnético

Es la cantidad de flujo por unidad de área perpendicular al campo magnético. Se simboliza mediante B, y su unidad SI es el tesla (T) , un tesla es un weber por metro cuadrado.

Intensidad de Campo Magnética

También llamada fuerza magnetizante en un material se define como la fuerza magnetomotriz por unidad de longitud del material. La intensidad de campo magnético (H) es el ampere vueltas por metro.

Flujo de Campo Magnético Es el grupo de líneas de fuerza que van del polo norte

al polo sur de un imán, simbolizado mediante la letra griega fi (Φ). El numero de líneas de fuerza presentes en un campo magnético determina el valor del flujo, mientras mas líneas de fuerza haya, mas grande es el flujo y mas intenso el campo magnético. La unidad de flujo magnético es el weber.

Permeabilidad La permeabilidad (μ) relación entre la densidad de

flujo en el material y la densidad de flujo que se produciría en el vacío, bajo la misma intensidad de campo magnético H.

También la permeabilidad relativa (μr) es la facilidad con con que un campo magnético puede ser establecido en un material dado que se mide mediante la permeabilidad de dicho material.

Fuerza de Lorentz Cuando un conductor que transporta corriente se coloca en

un campo magnético, se somete a una fuerza llamada fuerza electromagnética o fuerza de Lorentz. Esta fuerza es de fundamental importancia porque constituye la base de operación de motores, generadores y de muchos instrumentos eléctricos. La magnitud de la fuerza depende de la orientación del conductor con respecto a la dirección del campo. La fuerza es mayor cuando el conductor es perpendicular al campo y cero cuando es paralelo a él. Entre estos dos extremos, la fuerza tiene valores intermedios.

Trayectoria bajo la fuerza de Lorentz de una partícula cargada en un campo magnético constante, según el signo de la carga eléctrica.

Voltaje Inducido en un Conductor Por ejemplo al mover un imán a través de una bobina

de alambre se inducia voltaje en la bobina, y cuando se proporcionaba una trayectoria completa, el voltaje inducido provocaba una corriente inducida, esto lo descubrió Michael Faraday ( Principio de Inducción Magnética), esto se observa en la imagen.

También esta la ley de Faraday: El voltaje inducido a través de una bobina de alambre es igual al numero de vueltas que hay en la bobina multiplicado por la velocidad de flujo magnético.

Dirección de Fuerza del Campo Magnético en un Conductor Recto

Siempre que un conductor transporta corriente, está rodeado por un campo magnético. Las líneas circulares de fuerza tienen la dirección que se muestra en la primer figura de la imagen. La misma figura muestra el campo magnético creado entre los polos N y S de un poderoso imán permanente. Desde luego, el campo magnético no tiene la forma que se muestra en la figura, porque las líneas de fuerza nunca se cruzan entre sí. ¿Cuál es, entonces, la forma del campo resultante?

Para responder la pregunta, observamos que las líneas de fuerza creadas respectivamente por el conductor y el imán permanente actúan en la misma dirección arriba del conductor y en dirección opuesta debajo de él. Por consiguiente, el número de líneas que hay arriba del conductor debe ser mayor que el número que hay debajo. En consecuencia, el campo magnético resultante tiene la forma que se muestra en la segunda figura. Recordando que las líneas de flujo actúan como bandas elásticas estiradas, es fácil visualizar que una fuerza actúa sobre el conductor empujándolo hacia abajo.

ImagenPrimera figura. Campo magnético producido por un imán y un conductor.Segunda Figura. El campo magnético resultante empuja el conductor hacia abajo.

Histéresis Característica de un material magnético por la la cual un

cambio en la magnetización retrasa la aplicación de la intensidad del flujo magnético. La intensidad de campo magnético (H) puede ser incrementada o reducida con facilidad variando la corriente a través de la bobina de alambre, y puede ser invertida invirtiendo la polaridad del voltaje presente en la bobina, esto se ve representado en el desarrollo de la curva de histéresis.

Corrientes Parasitas o de Foucault Son las corrientes inducidas en el cuerpo conductor por la

variación en el flujo magnético. El resultado es la aparición de una f.e.m. que hace circular una corriente en el material conductor. En los núcleos de transformadores y bobinas se generan estas tensiones que son inducidas debido a las variaciones de flujo magnético a que se someten aquellos núcleos.

Concepto: La corriente de Foucault: Son Corrientes alternas de trayectorias cerradas inducidas en las piezas metálicas debido a la acción sobre estas de un campo magnético de flujo variable, Fueron descubiertas por el físico francés Léon Foucault.

Fuerza La fuerza más conocida es la fuerza de la gravedad. Por

ejemplo, cuando levantamos una piedra, realizamos un esfuerzo muscular para vencer la fuerza gravitatoria que continuamente jala de ella hacia abajo. Existen otras clases de fuerzas, como la fuerza ejercida por un resorte estirado o las fuerzas creadas por la explosión de dinamita. Todas estas fuerzas se expresan en función del newton (N), que es la unidad de fuerza en el SI (sistema internacional de unidades). La magnitud de la fuerza de la gravedad depende de la masa de un cuerpo, y está dada por la ecuación aproximada:

donde:F = fuerza de gravedad que actúa sobre elcuerpo en [N]m = masa del cuerpo en [kg]9,8 = constante aproximada que se aplicacuando los objetos están relativamentecerca de la superficie de la tierra(dentro de 30 km)

F = 9,8 . m

Momento de Torsión o Par El momento de torsión o par se produce cuando una fuerza

ejerce una acción de torsión sobre un cuerpo, la cual tiende a hacerlo girar. El momento de torsión es igual al producto de la fuerza por la distancia perpendicular entre el eje de rotación y el punto de aplicación de la fuerza.

El momento de torsión o par que la fuerza tangencial ejerce sobre la polea está dado por:

Momento de torsión T = Fr

dondeT = momento de torsión en [N.m]F = fuerza en [N]r = radio en [m]

Trabajo Mecánico Se realiza trabajo mecánico cuando una fuerza (F) se

desplaza una distancia (d) en la dirección de la fuerza, se muestran dos imágenes como ejemplo. El trabajo está dado por:

W = F.d donde

W = trabajo [J]F = fuerza [N]d = distancia recorrida por la fuerza [m]

Potencia La Potencia es la capacidad de realizar trabajo, como se observa en la imagen de

abajo. Está dada por la ecuación:

P = W/t

donde:

La unidad de potencia es el watt (W). A menudo se utiliza el kilowatt (Kw), que es igual a 1000 W. En ocasiones, el rendimiento o eficiencia de potencia de los motores se expresa en unidades de caballo de fuerza (hp). Un caballo de fuerza es igual a 746 W. Corresponde al rendimiento de potencia promedio de un caballo de tiro.

P =potencia [W]W = trabajo realizado [J]t = tiempo en que se realiza el trabajo [s]

Potencia de un Motor El rendimiento o eficiencia de la potencia mecánica de un motor depende de su

velocidad de rotación y del momento de torsión o par que desarrolla. La potencia está dada por:

P = nT /9,55

donde:

Podemos medir el rendimiento de la potencia de un motor mediante un freno prony como el mostrado en la imagen. Éste se compone de una banda plana estacionaria que presiona contra una polea montada en el eje del motor. Los extremos de la banda están conectados a dos básculas de resorte y la presión de la banda se ajusta apretando el tornillo. Conforme el motor gira, podemos incrementar o disminuir el rendimiento de potencia ajustando la tensión de la banda. La potencia mecánica desarrollada por el motor se transforma completamente en calor debido al frotamiento de la banda en la polea.

P =potencia mecánica [W]T= momento de torsión o par [N.m]n =velocidad de rotación [r/min]9,55= una constante para el ajuste de las unidades (valor exacto = 30/pi)

Transformación de Energía en una MaquinaLa energía puede existir en una de las siguientes formas:

1. Energía mecánica (la energía potencial acumulada en un resorte o la energía cinética de un auto en movimiento)

2. Energía térmica (el calor liberado por una estufa, por fricción o por el sol)

3. Energía química (la energía contenida en la dinamita, en el carbón o en una batería de almacenamiento eléctrico)

4. Energía eléctrica (la energía producida por un generador o por iluminación)

5. Energía atómica (la energía liberada cuando el núcleo de un átomo es modificado)

Aunque la energía no se puede crear ni se puede destruir, puede convertirse de una forma a otra por medio de los dispositivos o máquinas apropiados. Por ejemplo, la energía química contenida en el carbón se puede transformar en energía térmica quemando el carbón en un horno. La energía térmica contenida en el vapor se puede transformar entonces en energía mecánica mediante una turbina. Por último, la energía mecánica se puede transformar en energía eléctrica por medio de un generador.

En la imagen se observa el ejemplo de transformación de energía térmica en mecánica:

Eficiencia de las Maquinas La eficiencia de una máquina está dada por la ecuación:

donde:

La eficiencia es particularmente baja cuando la energía térmica se convierte en energía mecánica. Por lo tanto, la eficiencia de las turbinas de vapor va de 25 a 40 por ciento, mientras que la de los motores de combustión interna (motores automotrizes, motores diesel) oscila entre 15 y 30 por ciento. Para entender qué tan bajas son estas eficiencias, debemos recordar que una máquina que tiene una eficiencia de 20 por ciento pierde, en forma de calor, 80 por ciento de la energía que recibe. Los motores eléctricos transforman la energía eléctrica en energía mecánica con mucha más eficiencia como se observa en la imagen. Su eficiencia oscila entre 75 y 98 por ciento, según el tamaño del motor.

n = eficiencia [porcentaje]Psal = potencia de salida de la máquina [W]Pent = potencia de entrada a la máquina [W]