01- Introduccion A Las Maquinas Electricas

Asignatura: Maquina Eléctricas

Profesor: Pablo Hernandez

LAS MAQUINAS ELECTRICAS Y LOS TRANSFORMADORES EN LA VIDA COTIDIANA Una maquina eléctrica es un artefacto que puede convertir bien sea energía eléctrica en energía mecánica o bien energía mecánica en energía eléctrica. Cuando tal artefacto se utiliza para convertir energía mecánica en energía eléctrica, se Ie denomina generador.

Cuando convierte energía eléctrica en energía mecánica, se llama motor. Como cualquier maquina eléctrica, es capaz de convertir potencia en ambos sentidos, toda maquina puede utilizarse, como generador, o como motor. Casi todos los motores prácticos y generadores convierten energía de una forma en otra por la acción de un campo magnético.

TRANSFORMADORES Un transformador es el aparato que convierte energía eléctrica de ca de un nivel de voltaje, en energía eléctrica de ca a otro nivel de voltaje. Puesto que los transformadores operan bajo los mismos principios que los generadores y los motores, dependen de la acción de un campo magnético para lograr el cambio de nivel de voltaje, se estudian generalmente en conjunto con aquellos. Estos tres tipos de aparatos eléctricos están presentes en la vida cotidiana moderna. En el hogar, los motores eléctricos hacen funcionar refrigeradores, congeladores, aspiradoras, mezcladores, aires acondicionados, ventiladores y muchos artefactos similares. En el lugar de trabajo, suministran la fuerza motriz para casi todas las herramientas. Por supuesto, los generadores son indispensables para suministrar la potencia que utilizan estos motores.

¿Por que son tan comunes los motores y generadores eléctricos? La respuesta es bien sencilla: la potencia eléctrica es una fuente de energía limpia y eficiente. Un motor eléctrico no requiere ventilación constante ni combustible, como una maquina de combustión interna lo hace, de tal manera que el motor eléctrico es muy apropiado para usarse en un medio ambiente donde se desea evitar los contaminantes asociadas a la combustión. En cambio, la energía térmica o la mecánica pueden convenirse en electricidad en un Iugar distante, y conducirse finalmente por media de cables, al sitio requerido y utilizarse en cualquier hogar, oficina o fabrica. Los transformadores ayudan en este proceso reduciendo las perdidas entre el lugar de producción de la energía eléctrica y el sitio en donde se va a utilizar.

CAMPO MAGNETICO Los campos magnéticos son los mecanismos fundamentales par medio de los cuales la energía se convierte de una forma en otra, en motores, generadores y transformadores. Cuatro principios básicos describen como se utilizan los campos magnéticos en estos aparatos: 1. Un alambre cargado de electricidad produce un campo magnético a su alrededor. 2. Un campo magnético de tiempo variable induce un voltaje en una bobina de alambre, si pasa a través de dicha bobina. (Base del funcionamiento del transformador).

3. Un alambre cargado de corriente en presencia de un campo magnético tiene una fuerza inducida sobre el. (Esta es la base de la funcionamiento de un motor). 4. Un alambre en movimiento, en presencia de un campo magnético, tiene un voltaje inducido en el. (Esta es la base del funcionamiento de un generador).

Producción de un campo magnético La ley básica que rige la producción de un campo magnético por medio de una corriente es la ley de Ampere:

Donde: • H: es la intensidad del campo magnético producido por la corriente I net. • I: se mide en amperios y • H se mide en amperio-vueltas por metro.

Producción de un campo magnético Para entender mejor el significado de esta ecuación, es muy útil aplicarla al ejemplo de la fig. 1. Esta fig. muestra un núcleo rectangular con un embobinado de alambre de N vueltas, en tormo a una columna del núcleo. Si el núcleo esta hecho de hierro u otros metales similares (comúnmente llamados materiales ferromagnéticos). Todo el campo magnético producido por la corriente permanecerá esencialmente dentro del núcleo, de tal modo que el recorrido de integración en la ley de Ampere es la longitud media del recorrido del núcleo Ic. La corriente que pasa dentro del recorrido de integración Inet es Ni, puesto que la bobina abraza el recorrido de integración N veces, mientras conduce la corriente i. La ley de Ampere, se vuelve

===>

Longitud de Recorrido medio Sección transversal Área A

H es la magnitud de la intensidad del campo magnético vector H. Por consiguiente, la magnitud de la intensidad del campo magnético en el núcleo, debido a la corriente aplicada es:

Producción de un campo magnético La intensidad H del campo magnético es, en cierto sentido, una medida del "esfuerzo" que una corriente realiza para establecer un campo magnético. La intensidad del flujo del campo magnético producido en el núcleo depende también del material de este.

La relación entre la intensidad H del campo magnético y la densidad B del flujo magnético resultante, producido dentro del material será:

Donde: H = intensidad del campo magnético µ= permeabilidad magnética del material B = densidad resultante del flujo magnético producido La verdadera densidad del flujo magnético producido en un trozo de material esta, entonces, dada por el producto de dos términos:

H: representa el esfuerzo que ejerce la corriente para establecer un campo magnético µ: representa el esfuerzo que realiza la corriente para establecer un campo magnético en un material dado

Producción de un campo magnético  H (intensidad de campo magnético): unidad, amper-vuelta por metro cuadrado  µ (permeabilidad ): unidad henrios por metro y  B(densidad del flujo resultante ): unidad, webers por metro cuadrado, conocidas como teslas (T).

µO (permeabilidad de espacio Iibre), y su valor es La permeabilidad de cualquier otro material comparado con la permeabilidad del espacio Iibre, se denomina permeabilidad relativa:

Producción de un campo magnético La permeabilidad relativa es una forma cómoda de comparar los materiales. Por ejemplo, los aceros utilizados en las maquinas modernas tienen permeabilidades relativas entre 2,000 y 6,000 y aun mas.

Producción de un campo magnético Como la permeabilidad del hierro es mucho mas alta que la del aire, la mayor parte del flujo en un núcleo de hierro, como muestra la figura, permanece dentro del núcleo en vez de correr por entre el aire circundante, que tiene mucho menos permeabilidad.

La pequeña filtración de flujo que abandona el núcleo de hierro es muy importante para determinar el enlace de flujo entre las bobinas y los coeficientes de autoinducción de las bobinas, tanto en Transformadores como en motores. En un núcleo como el que se mostro en la figura, la magnitud de la densidad del flujo se determina por:

Longitud de Recorrido medio

Sección transversal Área A

Ahora, el flujo total en un área dada se determina por:

donde dA, es la unidad diferencial de área.

Producción de un campo magnético Si el vector de la densidad de flujo es perpendicular a un plano de área A y si la densidad de flujo es constante en toda el área, entonces esta ecuación se reduce a

Así, el flujo total en el núcleo en la figura, debido a la corriente i en el embobinado es

donde A es el área del corte transversal del núcleo.

Longitud de Recorrido medio

Sección transversal Área A

Circuitos magnéticos

En la ecuación vemos que la corriente en una bobina de alambre envuelto alrededor de un núcleo produce un flujo magnético en dicho núcleo. En cierto sentido, esto es análogo al voltaje que produce un flujo de corriente en un circuito eléctrico. Es posible determinar un "circuito magnético" cuyo comportamiento esta regido por ecuaciones análogas a aquellas de un circuito eléctrico. EI modelo de circuito magnético de comportamiento magnético se usa a menudo en el diseño de maquinas eléctricas y transformadores para simplificar el, muy complejo proceso de diseño.

Comparación de términos eléctricos y magnéticos

Circuitos magnéticos En un sencillo circuito eléctrico, como el ilustrado en la figura, la fuente de voltaje V, encauza una corriente I alrededor del circuito, a través de una resistencia R. La relación entre estas entidades se obtiene mediante la ley de Ohm:

V=IR

a) Un circuito eléctrico simple. b) b) El circuito magnético análogo a un núcleo de (Transformador).

Circuitos magnéticos En el circuito eléctrico, el voltaje o fuerza electromotriz es la que impulsa el flujo de corriente. Por analogía, la cantidad equivalente en el circuito magnético se llama Fuerza magnetomotriz (fmm). La fuerza magnetomotriz del circuito magnético es igual al flujo de corriente efectiva aplicada al núcleo

 donde F es el símbolo de la fuerza magnetomotriz, medida en amperios-vueltas. Como la fuente de voltaje en el circuito eléctrico, la fuerza magnetomotriz en el circuito magnético tiene una polaridad asociada a el. EI extremo positivo de la fuente fmm es el extremo por el cual el flujo sale, y el extrema negativo de la fuente de fmm, es el extremo par el cual el flujo vuelve a entrar. La polaridad de la fmm desde una bobina de alambre puede determinarse por una modificación de la norma de la mano derecha: Si los dedos de la mano derecha se enroscan en la dirección del flujo de la corriente en una bobina de alambre, entonces el dedo pulgar señalara la dirección de la fmm positiva.

R

ϕ=F R

Circuitos magnéticos En un circuito eléctrico, el voltaje aplicado causa el flujo de una corriente I. De modo semejante, en un circuito magnético la fuerza magnetomotriz aplicada causa la producción de un flujo φ. La relación entre voltaje y corriente en un circuito eléctrico es la ley de Ohm (V = IR); de manera semejante, la relación entre fuerza magnetomotriz y flujo es

Los dedos de la mano derecha se enroscan en la dirección del flujo de la corriente en una bobina de alambre, entonces el dedo pulgar señalara la dirección de la fmm positiva. Fuerza magnetomotriz del circuito Flujo del circuito Reluctancia del circuito Determinación de la polaridad de una fuente de fuerza magnetomotriz en un circuito magnético

Circuitos magnéticos La reluctancia de un circuito magnético es la contraparte de la resistencia eléctrica y sus unidades son amperio-vueltas por weber. Hay también una analogía magnética de conductancia. Así como la conductancia de un circuito eléctrico es la reciproca de su resistencia, la permeancia P de un circuito magnético es la reciproca de su reluctancia R.

La relación entre la fuerza magnetomotriz y el flujo puede entonces expresarse como ϕ=F R



Baja ciertas circunstancias, es mas fácil trabajar con la permeancia de un circuito magnético, que con su reluctancia.

Circuitos magnéticos ¿Cual es la reluctancia del núcleo en la figura? EI flujo resultante en este núcleo se expresa par medio de la ecuación siguiente:

Dado ecuaciones anteriores, la reluctancia del núcleo es



Circuitos magnéticos Las reluctancias en un circuito magnético obedecen las mismas reglas a que obedecen las resistencias en un circuito eléctrico. La reluctancia equivalente de un numero de reluctancias en serie es sencillamente la sumatoria de las reluctancias individuales:

En igual forma, las reluctancias en paralelo se combinan de acuerdo con la ecuación

Circuitos magnéticos Las permeancias en serie y en paralelo obedecen las mismas reglas que las conductancias eléctricas. Los cálculos del flujo en un núcleo realizados, utilizando los conceptos de un circuito magnético, siempre son aproximados; a lo sumo, tienen una precisión cercana a un 5% de la respuesta real. Hay una serie de razones para esta inexactitud inherente: 1. EI concepto de circuito magnético supone que todo el flujo esta confinado dentro del núcleo magnético. Infortunadamente, esto no es totalmente cierto. •

La permeabilidad de un núcleo ferromagnético es de 2,000 a 6,000 veces la del aire, pero una pequeña fracción del flujo se escapa del núcleo hacia el poco permeable aire circundante.

•

Este flujo fuera del núcleo se llama flujo de dispersión y cumple un papel muy importante en el diseño de la maquinaria eléctrica.

2. EI calculo de la reluctancia supone cierta longitud de trayecto medio y un área de la sección transversal del núcleo. Estos supuestos no son realmente acertados, especialmente en las esquinas.

Circuitos magnéticos 3. En los materiales ferromagnéticos, la permeabilidad varia con la cantidad de flujo ya contenido en el material. Este efecto no lineal se describe luego en detalle. Ello agrega todavía otra fuente de error al análisis de los circuitos magnéticos, puesto que las reluctancias usadas en los cálculos de los circuitos magnéticos dependen de la permeabilidad del material. 6. Si hay entrehierros de aire en el recorrido del flujo en el núcleo, el área efectiva del corte transversal del entrehierro de aire será mayor que el área del corte transversal del núcleo de hierro en ambos lados. EI área extra efectiva es causada por "efecto de borde“ del campo magnético del entrehierro de aire.

El efecto de borde de un campo magnético en un entrehierro de aire. Nótese el aumento del área de la sección transversal del entrehierro de aire, comparada con el área de la sección transversal del metal.

Cálculos de circuitos magnéticos básicos La fig. muestra un nucleo ferromagnetico, a. Se debe determinar la reluctancia del material b. Determinar el flujo magnetico φ, si la µr = 6100 (acero de silicio) R=

l = I µxA µr x µo A

Φ = F = Ni R R