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MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVASROTATIVAS

ML-244ML-244

Gregorio Aguilar Robles

31 de agosto de 2011

HORARIO DE CLASESHORARIO DE CLASES

Lunes : 16 – 18 horas A2-259Miércoles : 16 – 18 horas A2-159Viernes : 16 – 18 horas A2-259

CALENDARIO ACADÉMICO DEL PERIODO 2011-IICALENDARIO ACADÉMICO DEL PERIODO 2011-II

ENTREGA DE ACTA DE NOTAS DETALLADOENTREGA DE ACTA DE NOTAS DETALLADO

CRONOGRAMA DE LAS PRÁCTICAS CRONOGRAMA DE LAS PRÁCTICAS CALIFICADASCALIFICADAS

Primera Práctica : 23-09-2011Segunda Práctica : 14-10-2011Tercera Práctica : 18-11-2011Cuarta Práctica : 02-12-2011

FECHAS DE EXÁMENESFECHAS DE EXÁMENES

Examen Parcial : 20-10-2011

Examen Final : 15-12-2011

Examen Sustitutorio : 22-12-2011

SISTEMA DE CALIFICACIÓNSISTEMA DE CALIFICACIÓN

“F”“F”

Promedio de Prácticas : Peso 1Examen Parcial : Peso 1Examen Final : Peso 2

Examen Sustitutorio : Peso 1 ó 2

PROGRAMA DEL CURSOPROGRAMA DEL CURSO

1.- Principio de funcionamiento de la máquina de Corriente Continua.

2.- Aspectos físicos y constructivos de la Máquina de Corriente Continua.

3.- El Generador de Corriente Continua en régimen estable.

4.- El Motor de Corriente continua en régimen estable.5.- Eficiencia y pérdidas de las Máquinas de Corriente

Continua.

PROGRAMA DEL CURSOPROGRAMA DEL CURSO

6.- Principios de funcionamiento de la máquina Síncrona.

7.- La Máquina Síncrona en régimen estable.8.- Aspectos físicos y constructivos de la Máquina

Síncrona.9.- La Máquina asíncrona Polifásica en régimen

estable.10.- Motores Monofásicos.11.- Aspectos físicos y constructivos de los Motores

de Corriente Alterna.

BIBLIOGRAFÍABIBLIOGRAFÍA

-Máquinas Eléctricas. Jesús Fraile Mora

- Máquinas Eléctricas. Stephen J. Chapman

- Máquinas Eléctricas. C. B. Gray

- Máquinas Eléctricas. Fitzgerald

- Copias del curso.

- Máquinas Eléctricas. Análisis y Diseño Aplicando Matlab. Jimmie J. Cathey.

BIBLIOGRAFÍABIBLIOGRAFÍA

- Máquinas Eléctricas. Javier Sanz Feito.

- Introducción a Máquinas Eléctricas y Transformadores. George Mc Person.

- Máquinas de Corriente Continua. Gilberto Enríquez Harper

- Máquinas Eléctricas. J. Thaler y M. L. Wilcox

- Electromecánica y Máquinas Eléctricas. S. A. Nasar y L. E. Unnewehr

Las máquinas eléctricas son el resultado de la aplicación de los principios de electromagnetismo y en especial de la Ley de Inducción de Faraday. Las máquinas eléctricas se caracterizan por tener circuitos eléctricos y magnéticos entrelazados.

Durante todo el proceso histórico de su desarrollo las máquinas eléctricas han desempeñado un papel muy importante en el campo de la ingeniería eléctrica, merced a su aplicación en los campos de generación, transmisión, distribución y utilización de la energía eléctrica.

INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

En la década de 1830, Michael Faraday y Joseph Henry descubrieron que un campo magnético induce una corriente en un conductor, siempre que el campo sea variable.

Las fuerzas electromotrices y corrientes eléctricas causadas por campos magnéticos variables se denominan fuerzas electromotrices (fems) inducidas y corrientes inducidas, y al fenómeno en sí se llama inducción magnética.

Los campos magnéticos variables pueden obtenerse de distintos modos:

• Mediante imanes móviles.

• A través de corrientes variables.

• Al alejar o acercar la bobina del conductor o imán.

• Al hacer girar la bobina en un campo magnético fijo (generador).

Todos estos métodos se pueden recoger mediante una expresión conocida como Ley de Faraday, que relaciona el cambio del flujo magnético a través de un circuito con la fem inducida en el circuito.

Flujo MagnéticoFlujo Magnético

• Sea dA un vector que representa a un área elemental de una superficie A, situada en una región donde está presente un campo magnético B.

• El flujo magnético a través de A se define por la expresión

• La unidad de m en el SI es el weber (Wb).

2mT 1 Wb1

• Como B es proporcional al número de líneas de campo por unidad de área, m es proporcional al número de líneas de campo que atraviesan el área.

SSS

dABBdAd nm cosAB

cosn BBComponente de B según la dirección normal a dA

dA

A

Flujo MagnéticoFlujo Magnético

• Es frecuente tratar con una bobina de alambre que contiene N vueltas.

• En este caso el flujo a través de la bobina es igual al producto de N por el flujo que atraviesa una sola vuelta,

• Si la superficie es un plano de área A y B es constante en magnitud y dirección, y forma un ángulo con el vector que representa a esa área, el flujo es

(Área dentro de una espira)

cosm BA

cosm NBA

Descubrimiento de Faraday-Henry-Lenz Descubrimiento de Faraday-Henry-Lenz (Inducción Electromagnética)(Inducción Electromagnética)

Un imán en reposo respecto a una espira no induce una fuerza electromotriz o corriente eléctrica en la espira.

Un imán en movimiento alejándose de espira induce una fuerza electromotriz o corriente eléctrica. Si la espira es la que se aleja del imán se genera el mismo efecto.

Un imán en movimiento de acercamiento a espira induce una fuerza electromotriz o corriente opuesta en sentido al Imán que se aleja de la espira.

Observación de la Inducción Electromagnética Observación de la Inducción Electromagnética (Sin usar imanes convencionales)(Sin usar imanes convencionales)

Amperímetro

Cuando el interruptor se encuentra abierto el amperímetro registra “Cero”. Sin embargo, una vez cerrado el interruptor el amperímetro registrará una corriente momentánea, la cual regresará a “Cero”, una vez se estabilice la corriente en la batería. Con este experimento se demuestra la existencia de la inducción electromagnética.

Ley de FaradayLey de Faraday

Fem Inducida y Ley de FaradayFem Inducida y Ley de Faraday

• Para una espira de conductor en un campo magnético, si varía el flujo magnético a través de un área rodeada por la espira, se induce una fem en la misma que se detecta usualmente observando una corriente eléctrica en la espira.

• Esta fem es igual en magnitud a la variación por unidad de tiempo del flujo magnético inducido en el circuito,

• El signo menos está relacionado con la dirección de la fem inducida (se verá después).

dt

d m ……... (1)


• Recordando que la fem se definió como el trabajo realizado por unidad de carga, para que exista fem (o trabajo) debe haber una fuerza ejercida sobre la carga.

• Pero la fuerza por unidad de carga es el campo eléctrico E, inducido por el flujo variable.

• En pruebas utilizando corriente continua, la fem se localizaba en un punto específico del circuito, como los terminales de la batería.

• Sin embargo, la fem inducida puede considerarse distribuida a través del circuito, con lo cual,

C

dlE ……... (2)


• Combinando las ecuaciones (1) y (2) anteriores se tiene que:

dt

dd

C

m lE Ley de Faraday

• El flujo magnético a través de una espira o circuito puede variarse de muchos modos,

− Alejando o acercando un imán permanente a la espira.

− A través de una corriente eléctrica que se aumenta o se hace disminuir.

Fem Inducida y Ley de FaradayFem Inducida y Ley de Faraday− La propia espira puede alejarse o acercarse a la fuente de flujo.

− El área de la espira puede aumentar o disminuir en el interior de un campo B fijo.

Ley de LenzLey de Lenz

Ley de LenzLey de Lenz• El signo negativo de la ley de Faraday está relacionado con la dirección y sentido de la

fem y corriente inducidas.

• Estos pueden determinarse a partir de la Ley de Lenz, que dice:

“La fem y la corriente inducida tienen una dirección y sentido tal que tienden a oponerse a la variación que las produce”.

• En esta figura el movimiento del imán hacia la espira aumenta el flujo que pasa por ella.

• La corriente inducida en la espira produce un campo magnético propio.

• El sentido de esta corriente es aquel que produce un flujo magnético que se opone al del imán. El campo magnético inducido tiende a disminuir el flujo que atraviesa la espira.

inducido

Ley de LenzLey de Lenz• En esta figura cuando se hace variar la corriente en el circuito 1, hay un cambio en el

flujo que atraviesa el circuito 2.

• En la situación (b) al aumentar la corriente que pasa por el circuito 1, hay un aumento del flujo que pasa por el circuito 2:

− La corriente en el circuito 2 tiene el sentido que hace que el campo magnético inducido produzca un flujo que se oponga al aumento producido por el circuito 1.

inducida inducida

aumentando

aumentando disminuyendo

disminuyendo

B inducido

Ley de LenzLey de Lenz

• En la situación (c) al disminuir la corriente que pasa por el circuito 1, hay una disminución del flujo que pasa por el circuito 2:

− La corriente en el circuito 2 tiene el sentido que hace que el campo magnético inducido produzca un flujo que se oponga a la disminución producida por el circuito 1.

inducida

aumentando

aumentando disminuyendo

disminuyendo

B inducido

inducida

Fem de MovimientoFem de Movimiento• Sea una varilla conductora que desliza a lo largo de dos conductores unidos a

una resistencia, que están situados en una región donde existe un campo magnético uniforme y entrante.

• Al aumentar el área del circuito al moverse la varilla también aumenta el flujo magnético que lo atraviesa, y se induce una fem en el circuito.

• En el instante inicial el flujo magnético es igual a

xBBA l ABm

• La variación del flujo magnético por unidad de tiempo es

vBdtdx

Bdt

dll

m

V = Velocidad de la barra

• La magnitud de la fem inducida en el circuito es,

vBdt

dl

m

IF

Ley de AmpereLey de Ampere

INTRODUCCIÓN

Las máquinas eléctricas realizan una conversión de energía de una forma u otra, una de las cuales, al menos, es eléctrica. Teniendo en cuenta el punto de vista estrictamente energético, las máquinas eléctricas se clasifican en tres tipos fundamentales:

- Generador.- Motor.- Transformador.

INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

Los generadores y motores tienen un acceso mecánico y por ello son máquinas dotadas de movimiento, que normalmente es de rotación; en cambio, los transformadores son máquinas eléctricas que tienen únicamente accesos eléctricos y son máquinas estáticas.

En conclusión, los motores y generadores son máquinas eléctricas rotativas (que son los que estudiaremos en el presente curso) y los transformadores son máquinas eléctricas estáticas (los cuales ya fueron estudiados en el anterior curso).

INTRODUCCIÓN

Todas las máquinas eléctricas rotativas cumplen con el principio de reciprocidad electromagnética, lo cual quiere decir que son reversibles; es decir, pueden trabajar tanto como motor o como generador.

Sin embargo, en la práctica, por ejemplo las máquinas asíncronas o de inducción trifásicas generalmente se les utiliza como motores. En cambio las máquinas eléctricas síncronas, generalmente son utilizados como generadores.

GENERADOREsta máquina eléctrica transforma la energía mecánica en energía eléctrica. La acción se desarrolla por el movimiento de una bobina en un campo magnético, resultando una Fuerza Electromotriz (f.e.m.) inducida que al aplicarla a un circuito externo produce una corriente que interacciona con el campo y desarrolla una fuerza mecánica que se opone al movimiento. En consecuencia, el generador necesita una energía mecánica de entrada para producir la energía eléctrica correspondiente.

En general, todo generador necesita que alguien le brinde la energía mecánica a fin de producir energía eléctrica.

GENERADOR

Accionamiento mecánico

MOTOR

Esta máquina eléctrica transforma la energía eléctrica en energía mecánica. La acción se desarrolla introduciendo una corriente en la máquina por medio de una fuente externa, que interacciona con el campo produciendo un movimiento de la máquina; aparece entonces una f.e.m. inducida que se opone a la corriente y que por ello se denomina Fuerza Contra Electromotriz. En consecuencia, el motor necesita una energía eléctrica de entrada para producir la energía mecánica correspondiente.

MOTOR

Red de energía eléctrica

APLICACIONES DE LASMÀQUINAS ELÉCTRICAS

Máquinas de Carpintería

Industria Minera

Trenes de Laminado

Fajas Transportadoras

Sistemas de Bombeo de Agua

SISTEMAS CONTRA INCENDIO

MÁQUINAS TREFILADORAS

VENTILADOR INDUSTRIAL

Generador de una Central Hidroeléctrica

Generador de una Central Térmica

TRANSFORMADOR

Esta máquina eléctrica transforma una energía eléctrica de entrada (en corriente alterna) con determinadas magnitudes de tensión y corriente en otra energía eléctrica de salida (también en corriente alterna) con magnitudes diferentes.

TRANSFORMADOR

En cuanto a su capacidad, los transformadores se dividen en transformadores de distribución y transformadores de potencia.

TRANSFORMADORES DE POTENCIA

TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN

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