UNIDAD 1 Máquinas eléctricas


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1 Página1 UNIDAD 1 Máquinas eléctricas 1.1 Introducción MÁQUINA Una máquina es un conjunto de elementos móviles y fijos cuyo funcionamiento posibilita aprovechar, dirigir, regular o transformar energía o realizar un trabajo con un fin determinado. Se denomina maquinaria (del latín machinarĭus) al conjunto de máquinas que se aplican para un mismo fin y al mecanismo que da movimiento a un dispositivo. MÁQUINA ELÉCTRICA La polea es una de las máquinas simples. Una máquina eléctrica es un dispositivo que transforma la energía cinética en otra energía, o bien, en energía potencial pero con una presentación distinta, pasando esta energía por una etapa de almacenamiento en un campo magnético. Se clasifican en tres grandes grupos: generadores, motores y transformadores. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO El principio de funcionamiento de estas máquinas, se basa en que si situamos un conductor dentro de un campo magnético (dos imanes enfrentados) y éste se mueve, se induce una corriente eléctrica variable dentro del conductor. Si este conductor es una espira y la hacemos moverse dentro del campo magnético por medios mecánicos, se va a inducir en la espira una corriente eléctrica variable que depende de la intensidad de flujo magnético que atraviesa la espira en cada momento (generador). Si por el contrario hacemos circular una corriente eléctrica variable por la espira, en ésta se produce un movimiento circular (motor). 1.2 Objeto de las máquinas eléctricas La energía eléctrica es una de las diferentes formas en que se manifiesta la energía en la naturaleza. Una de las ventajas que ofrece la energía eléctrica es su posibilidad de transformación en otras formas de energía; mecánica, química, calorífica, etc. El proceso de conversión de la energía eléctrica en otro tipo de energía se realiza a través de máquinas y aparatos eléctricos. 1.3 Clasificación General act

2 Página2 Se entiende por máquina eléctrica a conjunto de mecanismos que pueden producir, transformar o aprovechar la energía eléctrica. Las máquinas se clasifican en cuatro grupos: A. GENERADORES. B. MOTORES. C. TRANSFORMADORES. D. CONVERTIDORES ROTATIVOS Generadores Son máquinas que producen energía eléctrica por transformación de la energía mecánica. A su vez, los generadores se clasifican en DINAMOS (Fig. 1) y ALTERNADORES (Fig. 2), según que produzcan corriente continua o corriente alterna, respectivamente. Posteriormente, cabe destacar otro tipo de generadores (no son Máquinas) que transforman la energía química en eléctrica, como las pilas y acumuladores. En la época actual, se buscan afanosamente otras fuentes de energía, pudiendo servir de ejemplo la pila solar, que transforma la energía térmica del Sol en eléctrica. Fig 1 Dinamo Generador de Corriente Continua Fig. 2 Alternador Generador de Corriente Alterna Motores Son las máquinas que producen la energía mecánica por trasformación de la energía eléctrica. Según la corriente que se utiliza, se clasifican en motores de corriente continua y motores de corriente alterna (fig. 3), respectivamente. Fig 3 Motor de Corriente Continua Motor de Corriente Alterna Los motores de corriente continua pueden ser de cuatro tipos: Independiente, Shunt, Serie y Compuesto

3 Página3 Los motores de corriente alterna se clasifican en síncronos, asíncronos y de colector. Existe un tipo de motores, llamados universales que pueden funcionar indistintamente con corriente continua o alterna Transformadores Son aparatos estáticos de inducción electromagnética destinados a transformar sistemas de corrientes variables, de intensidad y tensión generalmente diferentes y de la misma frecuencia. A su vez, los trasformadores se subdividen en transformadores de potencia y transformadores de medida (fig.4). fig. 4 transformadores de potencia y transformadores de medida. El autotransformador es un transformador en el que los devanados primario y secundario tienen partes comunes Convertidores rotativos Son máquinas giratorias destinadas a obtener corriente eléctrica de una cierta especie. Un ejemplo seria la transformación de corriente alterna en continua. Entre los diferentes tipos de convertidores destacan: el grupo convertidor (motor eléctricogenerador), la conmutatriz y el generador polimórfico. TABLA RESUMEN

4 Página El convertidor electromecánico de energía Como resumen de los grupos A y B, de la clasificación general de máquinas puede afirmarse con seguridad que, a escala industrial, se trabaja por transformación de energía mecánica en eléctrica o viceversa, por ser el proceso reversible. Dependiendo del sentido de transformación de la energía, la misma máquina será generador o motor, y en conjunto se le designa con el nombre de convertidor electromecánico. GENERADOR ENERGIA MECÁNICA ACOPLAMIENTO ENERGIA ELÉCTRICA 1.4 Conceptos de magnetismo MOTOR Magnetismo. Parte de la ciencia que trata de las propiedades de los campos magnéticos y de los cuerpos sometidos a su acción. Campo magnético. Región del espacio en la existe un estado físico susceptible de manifestarse por fuerzas magnéticas. Campo magnético terrestre. Campo magnético natural que existe en la Tierra. Intensidad del campo magnético (H). Magnitud vectorial que equivale a la fuerza puntual que ejerce el campo sobre la unidad de masa magnética situada en dicho punto. La unidad de intensidad de campo es el ampervuelta por metro (Av/m). Flujo magnético (Ф). Número total de líneas de fuerza que atraviesan una superficie, normal a la dirección del campo magnético. La unidad de flujo es el Weber (Wb). Inducción magnética (ß). Magnitud vectorial que equivale al número de líneas de fuerza por unidad de superficie. La unidad de inducción es el Tesla (T). Permeabilidad absoluta de una sustancia (μa). Cociente de la inducción magnética por la intensidad de campo magnético. Es una magnitud física expresada en (H/m). Permeabilidad relativa de una sustancia (μr). Relación de la permeabilidad absoluta a la del vacío (μo) es un número abstracto por el cociente de dos números de la misma naturaleza. Sustancia paramagnética. Sustancia que adquiere, en un campo magnético externo, una imanación, siempre débil, que tiene por efecto aumentar la inducción debida exclusivamente al campo. Ejemplos; aire, oxígeno, aluminio, estaño, platino, paladio, óxido de carbono, etc. Sustancia diamagnética. Sustancia que adquiere, en un campo magnético externo, una imanación, siempre débil, que tiene por efecto disminuir la inducción debida exclusivamente al campo. Ejemplos; hidrogeno, nitrógeno, alcohol, agua, cobre, zinc, plata, mercurio, grafito, etc. Sustancia ferro-magnética. Sustancia capaz de adquirir una imanación importante en un campo magnético externo, y susceptible de conservar la totalidad o parte de esta imanación una vez que ha cesado la acción del campo. Ejemplos; hierro, níquel, cobalto, aleaciones, ferritas, etc. Imán permanente.

5 Página5 Cuerpo ferromagnético que mantiene un campo magnético sin la intervención de corrientes eléctricas externas. Imanación. Operación mediante la cual un cuerpo ferromagnético llega a poseer las propiedades de un imán. Corriente magnetizante. Corriente que tiene por objeto primordial la producción de un campo magnético. Desimanar. Restaurar la condición neutra de un cuerpo ferromagnético imanado. Saturación magnética. Estado de una sustancia ferromagnética colocada en un campo de intensidad suficiente para que la intensidad de imanación resulte independiente del campo. Estado magnético neutro. Estado de una sustancia ferromagnética que no ha sido sometida todavía a una imanación (estado virgen) o que ha sido llevada artificialmente a este estado. Curva de imanación normal. Lugar de los vértices de diversos ciclos de histéresis simétricos que se obtienen haciendo variar los límites del campo magnetizante. Histéresis magnética. Fenómeno por el que la imanación de los cuerpos ferromagnéticos depende, no solamente del valor actual del campo magnético, sino también de los estados magnéticos anteriores. Ciclo de histéresis. Curva cerrad que representa la serie de valores de la inducción magnética al variar el campo magnético. Remanencia. Propiedad de los cuerpos ferromagnéticos de conservar una cierta inducción después de suprimir el campo magnético. Imanación residual. Imanación que subsiste en un cuerpo ferromagnético después de suprimir el campo magnetizante. Esta propiedad se aprovechara para el cebado de las dinamos. Campo coercitivo. Campo magnético necesario para llevar a cero la inducción de un cuerpo ferromagnético previamente imanado. 1.5 Conceptos de Electromagnetismo Electromagnetismo. Parte de la ciencia que trata de las relaciones entre la electricidad el magnetismo. Circuito magnético. Conjunto de medios constituidos principalmente por sustancias ferromagnéticas, que forman un circuito cerrado y a través de los cuales puede pasar un flujo magnético. Fuerza magnetomotriz (F.m.m.). Causa capaz de mantener la circulación del flujo de inducción a lo largo del circuito magnético. La unidad de la f.m.m. es el ampervuelta (Av). Reluctancia (R). Cociente de la fuerza magnetomotriz aplicada a un circuito magnético por el flujo de inducción que produce. La unidad de la reluctancia no tiene nombre especial, expresándose por (Av/Wb). Electroimán. Conjunto formado por un núcleo ferromagnético y por una bobina, que produce efectos magnéticos apreciables solamente cuando la bobina es recorrida por una corriente eléctrica. Núcleo magnético.

6 Página6 Parte de un circuito magnético rodeado por un devanado. Culata o yugo. Pieza de sustancia ferromagnética no rodeada por devanados y destinada a unir los núcleos de un electroimán o de un transformador o los polos de una máquina. Armadura de un electroimán. Pieza magnética dispuesta de modo que se puede mover mediante la acción magnética del electroimán. Entrehierro. Solución de continuidad, de pequeña longitud, de la parte ferromagnética de un circuito magnético. Excitación. Producción de un flujo inducción magnética en un circuito magnético, por medio de una corriente eléctrica. Solenoide. Bobina cilíndrica devanada según la hélice de paso muy cortó. Inducción electromagnética. Producción de fuerza electromotriz (f.e.m.) por variación de flujo en un circuito estático, o por corte de flujo a un circuito en movimiento. Ley de Lenz. Los efectos conseguidos se oponen a las causas que los originan. El sentido de la f.e.m. inducida es siempre de signo tal que se opone a la causa que lo ha producido, o sea, a la variación dl flujo inductor. Ley de Faraday. Ley fundamental de la inducción electromagnética, según la cual, la f.e.m. inducida en un circuito cerrado es proporcional a la derivada del flujo abarcado con respecto al tiempo. El sentido queda definido por la ley de Lenz. Regla de Fleming de la mano derecha. Disponiendo el dedo índice en dirección del campo magnético y el dedo pulgar (perpendicular al anterior) en la dirección del movimiento, el dedo del medio (perpendicular a los otros dos) señalara el sentido de la f.e.m. inducida. Autoinducción. Producción de una f.e.m. en un circuito por la variación de corrientes que pasa por él. Corrientes parasitas o de Foucault. Corrientes eléctricas que circulan por los materiales magnéticos al estar sometidos a una variación de flujo de inducción magnética. Estas corrientes dan lugar a pérdidas de energía por efecto Joule, siendo necesario, para disminuirlas, construir las piezas metálicas con espesores mínimos. Regla de Fleming de la mano izquierda. Disponiendo los dedos, pulgar, medio e índice formando un triedro, si el índice señala el sentido del campo y el medio, el de la corriente, el pulgar indicará el sentido de la fuerza o movimiento.

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