MAQUINAS ELECTRICAS
Tema: Introduccin a los principios de las mquinas elctricas
Expositor: Luis Alberto Ruiz Cuadrado
OCTUBRE 2014 1
Contenido
1) Las mquinas elctricas en la vida diaria.
2) Movimiento rotatorio, Ley de Newton y relaciones de potencia.
3) El campo magntico
4) La ley de Faraday
5) Fuerza inducida en un alambre
6) Voltaje inducido en un conductor.
7) Potencias real y aparente 2
1)Las mquinas elctricas en la vida diaria
o Una mquina elctrica es un dispositivo que puede transformar la energa
mecnica en energa elctrica o energa elctrica en energa mecnica.
o El transformador es una mquina elctrica que no se ajusta a la definicin
anterior.
El transformador es un dispositivo que convierte energa elctrica de corriente
alterna de cierto nivel de voltaje en energa elctrica de corriente alterna de otro
nivel de voltaje.
o Tanto motores, como generadores y transformadores operan sobre los
mismos principios fsicos.
o Las mquinas elctricas son muy comunes y utilizadas debido a que no
emiten desechos contaminantes, adems que su transportacin y
produccin es ms simple que otros tipos de energa.
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Movimiento rotatorio
o Dos de los tres grandes grupos de mquinas elctricas son rotatorios y
rotan sobre un eje llamado eje de la mquina.
o La parte giratoria de las mquinas puede girar nicamente en dos sentidos:
En Sentido de las Manecillas del Reloj. (SMR)
En Sentido Contrario a las Manecillas del Reloj. (SCMR)
o Los conceptos principales del movimiento rotatorio y que utilizaremos a lo
largo del curso sern:
Posicin Angular () ngulo en el que se sita un objeto, medido desde algn punto de
referencia arbitrario. Se mide en radianes.
Velocidad Angular () Tasa de cambio de la posicin angular con respecto al tiempo.
Obedece a la expresin:
=
(Se mide en radianes por segundo)
2) Movimiento rotatorio, Ley de Newton y relaciones de Potencia.
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Aceleracin Angular () Tasa de cambio de la velocidad angular con respecto al tiempo. Se
mide en radianes por segundo al cuadrado.
=
Par-Torque () Es la fuerza de torsin aplicada a un objeto. Cuando mayor sea la fuerza de
torsin aplicada a un objeto en revolucin, ms rpido girar este objeto.
Las Unidades del Par son Newton-Metro.
2) Movimiento rotatorio, Ley de Newton y relaciones de Potencia.
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senFr
senrF
larperpendicunciataDisAplicadaFuerza
Movimiento rotatorio
Ley de Rotacin de Newton Describe la relacin existente entre el par aplicado a un
objeto y su aceleracin angular resultante.
=
Donde: J es el momento de inercia del cuerpo en rotacin y se mide en Kg-Metro
Trabajo (W) Se define como la aplicacin de un par a lo largo de un ngulo.
=
Potencia
Potencia (P) Es la tasa a la cual se incrementa el trabajo realizado con respecto al tiempo.
La potencia se mide en Watts
2) Movimiento rotatorio, Ley de Newton y relaciones de Potencia.
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P
ttt
WP
o Como se indic anteriormente, los campos magnticos son el mecanismo
fundamental para convertir la energa de una forma a otra en Motores,
Generadores y Transformadores.
o Los principios bsicos bajo los cuales se utilizan los campos magnticos
son:
i. El conductor que porta corriente produce un campo magntico a su alrededor.
ii. Un campo magntico variable en el tiempo induce un voltaje en una bobina de
alambre si pasa a travs de ella. (Principio bsico de funcionamiento del
transformador).
iii. Un conductor que porta corriente en presencia de un campo magntico
experimenta una fuerza inducida sobre l. (Principio bsico de funcionamiento
del motor).
iv. Un conductor elctrico que se mueva en presencia de un campo magntico
tendr un voltaje inducido en l. (Principio bsico de funcionamiento del
generador).
3)El campo magntico
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o Las lneas de campo magntico:
Tienen direccin y sentido
Forman lazos cerrados de un polo Norte a un Sur
No se cruzan o interceptan
Son tensionales, elsticas, buscan los caminos de mnima reluctancia
magntica
Se refractan al pasar a medios de distinta reluctancia magntica
Atraviesan todo material y el vaco
3)El campo magntico
o El flujo de campo magntico se miden en:
Maxwell o lneas. Sistema U.S.
Weber. Sistema Internacional
1 WEBER = 108 LINEAS
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Produccin de un campo magntico
3)El campo magntico
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AmperedeLey netIdlH
.:
:
::
tegracinindeatrayectoriladegolarloaldiferenciaElementodl
HproducequeyconductordeltravzapasaqueCorrienteI
IcorientelaporproducidamagnticocampodeIntensidadHDonde
neta
neta
H
I
dl
metroporVueltaAmperesH
AmperesI
:
:
3)El campo magntico
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.:
.:
.:
.:
.:
:
ntegracinidencleodeltravsapasaqueCorrienteI
espiracadadetravsapasaqueCorrientei
ncleodelmediaLongitudL
ncleoelcompuestoestquedelticoferromagnMaterialFe
devanadodelvueltasdeNmeroN
Elementos
neta
n
iNIiI
magnticocampoelinducequeCorriente
neta
N
o
neta
:
n
n
L
iNH
iNLH
comoresadaquedaraAmperedeleyLa
:exp
.
,
magnticocampoun
establecerporcorrienteinadatermde
unahacequeesfuerzodelmedidalaes
HmagnticocampodeIntensidadLa
3)El campo magntico
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La densidad del flujo de campo magntico, B, un vector, se mide en:
Maxwell o lneas/ Pulgada cuadrada.
Weber / metro cuadrado = Tesla *
Valores de Densidad de flujo, B, de:
El campo magntico de la Tierra = 50 Teslas.
Las mquinas elctricas estndar = 1 a 2 Teslas.
Los laboratorios de aceleracin de partculas = 3 a 25 Teslas
1 Tesla = 1 (Newton/(Amperio.metro) = 104 Gauss
3)El campo magntico
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H B
TB
H
TeslascuadradometroporWebersmagnticoFlujodeDensidad
metroporHenrysmagnticocampounestablecerpara
relativafacilidadlaepresentaRmaterialdelmagnticadadPermeabili
metroporVueltaAmperesmagnticocampounestablecerpor
corrienteladeesfuerzoelepresentaRmagnticocampodeIntensidad
Donde
.:
.
.:
.
.:
:
o Ahora, la relacin entre la intensidad del campo magntico H y la densidad
del flujo magntico resultante B producida dentro del material, obedece a
la siguiente expresin:
mH
libreespacioendadPermeabili
7
0 104
:
0
:
r
relativadadPermeabili
3)El campo magntico
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Los materiales se clasifican:
El vaco (Referencia) 0 = 4 10-7
1. Paramagntico, para efectos prcticos similar al vaco
2. Diamagntico, para efectos prcticos similar al vaco
3. Ferromagntico: Hierro, Nquel, Cobalto y las
denominadas Tierras Raras.
3)El campo magntico
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o La permeabilidad magntica en los metales es mucho mayor que la del aire
(La permeabilidad del hierro es por ejemplo de 3000 a 6000 veces mayor).
o En la figura mostrada, el campo
magntico va a preferir circular por el
ncleo de hierro que circular por el
aire, el cual presenta una
permeabilidad mucho ms baja.
o Si trabajamos un poco con las expresiones vistas hasta
ahora, tenemos:
AL
iNABdAB
L
iNHB
n
n
3)El campo magntico
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La regla de la mano derecha
Si se coloca los dedos ndice, medio, anular y
meique en direccin de la corriente elctrica que
circula en una bobina, el dedo pulgar seala la
direccin del campo magntico producido.
Fe Fe
3)El campo magntico
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Circuito magntico de un transformador
Las expresiones que describen el comportamiento de un circuito magntico
son anlogas a las expresiones que describen el comportamiento de un
circuito elctrico.
iN
VueltasAmpereFmm
rzmagnetomotFuerza
:
3)El campo magntico
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Al igual que el voltaje en el circuito elctrico, en el circuito magntico la
fuerza magnetomotriz tiene una polaridad asociada a ella.
Por el terminal positivo (+) el flujo sale y por el terminal negativo (-) el
flujo retorna.
En una bobina, la polaridad de la fuerza magnetomotriz puede
determinarse mediante la regla de la mano derecha:
Si la curvatura de los dedos de la mano
derecha apunta en la direccin del flujo de
corriente de la bobina, el dedo pulgar
apuntar en la direccin positiva de la
Fmm.
Circuito magntico de un transformador
3)El campo magntico
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En un circuito elctrico el voltaje aplicado ocasiona un flujo de corriente I.
En forma similar, en un circuito magntico, la fuerza magnetomotriz
aplicada ocasiona un flujo .
La relacin entre la Fuerza Magnetomotriz y el Flujo est dada por:
Circuito magntico de un transformador
La reluctancia es la oposicin que presentan los materiales al
paso del flujo magntico
3)El campo magntico
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Si trabajamos un poco con la ecuacin del flujo magntico, tendremos:
Circuito magntico de un transformador
La reluctancia es la oposicin que presentan los materiales al
paso del flujo magntico
3)La ley de Faraday
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La ley de Faraday describe el principio en el cual se basa del
funcionamiento del transformador.
La ley de Faraday establece que si un flujo
atraviesa una espira de alambre conductor, se
inducir en sta un voltaje directamente
proporcional a la tasa de cambio del flujo con
respecto al tiempo.
Si una bobina tiene N espiras, y el mismo flujo circula en todas y cada una
de las bobinas, el voltaje inducido en toda la bobina estar dado por:
3)La ley de Faraday
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El signo menos en la ecuacin es una expresin de la ley de Lenz, la cual
establece que la direccin del voltaje inducido en la bobina es tal que
si los extremos de sta estuvieran en cortocircuito, se producirla en
ella una corriente que generara un flujo opuesto al cambio del
flujo inicial.
3)La ley de Faraday
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La magnitud del voltaje en la i-sima espira de la bobina est dada siempre por:
Si hay N espiras en la bobina, el voltaje total en sta es
oconcatenadFlujo
PREGUNTAS
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