principios de maquinas electricas 1.0

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Unidad I 1. Principios y fundamentos de máquinas eléctricas. 1.1. Estudio del campo magnético. 1.2. Análisis de circuitos magnéticos. 1.3. Análisis de excitación en CA y CD. Conexiones. 1.4. Principio motor- generador. BIBLIOGRAFÍA -Stephen J. Chapman, Máquinas Eléctricas, Ed. McGraw-Hill. Irving L. Kosow, Máquinas Eléctricas y Transformadores, Ed. Prentice-Hall. -An Introduction to Electrical Machines And Transformers, Ed. WILEY. -Stephen J. Chapman, Máquinas Eléctricas, Ed. McGraw-Hill Irving L. Kosow, Máquinas Eléctricas y Transformadores, Ed. Prentice-Hall -Charles Kingsley, A. Ernest Fitzgerald, Stephen Umans, Máquinas Eléctricas, Ed. Mc. Graw Hill -Gordon L. Slemon, Electric Machines And Drives, Ed. Addison Wesley Longman.

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Page 1: Principios de Maquinas Electricas 1.0

Unidad I

1. Principios y fundamentos de máquinas eléctricas.

1.1. Estudio del campo magnético.

1.2. Análisis de circuitos magnéticos.

1.3. Análisis de excitación en CA y CD.

Conexiones.

1.4. Principio motor- generador.

BIBLIOGRAFÍA

-Stephen J. Chapman, Máquinas Eléctricas, Ed. McGraw-Hill.

Irving L. Kosow, Máquinas Eléctricas y Transformadores, Ed. Prentice-Hall.

-An Introduction to Electrical Machines And Transformers, Ed. WILEY.

-Stephen J. Chapman, Máquinas Eléctricas, Ed. McGraw-Hill

Irving L. Kosow, Máquinas Eléctricas y Transformadores, Ed. Prentice-Hall

-Charles Kingsley, A. Ernest Fitzgerald, Stephen Umans, Máquinas

Eléctricas, Ed. Mc. Graw Hill

-Gordon L. Slemon, Electric Machines And Drives, Ed. Addison Wesley

Longman.

Page 2: Principios de Maquinas Electricas 1.0

Ley de Faraday-Henry

A principios de la década de 1830, Faraday en

Inglaterra y J. Henry en U.S.A., descubrieron de

forma independiente, que un campo magnético

induce una corriente en un conductor, siempre que

el campo magnético sea variable. Las fuerzas

electromotrices y las corrientes causadas por los

campos magnéticos, se llaman FMM inducidas y

corrientes inducidas. Al proceso se le denomina

inducción magnética.

Experimento 1 Variación de flujo

magnético inducción

Experimento 2

Variación de

corriente inducción

Page 3: Principios de Maquinas Electricas 1.0

Enunciado de la ley de Faraday-Henry

La ley de Faraday establece que cada que el flujo

dentro de una bobina cambie, un voltaje es

inducido en sus terminales . La magnitud del

voltaje depende de cuan rápido esté cambiando el

flujo: Si es grande la relación de cambio, será

grande el voltaje inducido. La magnitud también

depende directamente del numero de espiras de

la bobina. Entonces, la ecuación para el voltaje es

NE

La polaridad del voltaje inducido depende también

de la dirección del flujo, y si está creciendo o

decreciendo dentro de la bobina

Page 4: Principios de Maquinas Electricas 1.0

De la ecuación anterior. La relación de cambio de

flujo dentro de la bobina está dada por:

sWbN

E/

Por ejemplo, si el voltaje inducido en una bobina

de 600 espiras es igual a 12 V, entonces la

rapidez de cambio del flujo ΔΦ⁄ΔΤ, es

sWbN

E/ 0.02

600

12

Ley de Faraday-Henry

Page 5: Principios de Maquinas Electricas 1.0

Hay varias formas en las cuales el flujo se puede

hacer cambiar en una bobina de las cuales

trataremos tres maneras de hacerlo

- Conectando y desconectando el voltaje

aplicado en un circuito magnético. El flujo en

todo el circuito magnético incrementa

inmediatamente después de que se da la

energización, y decrece cuando se da la

desenergización.

- Cambiando la reluctancia del circuito

magnético que contiene la bobina. La

reluctancia es la “resistencia” al flujo de la

trayectoria magnética.

- Moviendo un imán permanente cerca a una

bobina.

Ley de Faraday-Henry

Page 6: Principios de Maquinas Electricas 1.0

La fuerza magnetomotriz (FMM) es la fuerza

generada por la cual se produce un campo

magnético. La FMM creada cuando una corriente

fluye a través de una bobina es proporcional a la

corriente I y al número de espiras N de la bobina.

La corriente inducida se debe al movimiento

relativo entre el imán y la espira.

NIFMM

Por ejemplo, si la corriente es igual a 2 A y la

bobina tiene 300 espiras, entonces

A) (600 vuelta-amperios 6002x300MM F

Nota: Aún cuando la unidad en el SI de unidades para la FMM es el

amperio (A) algunos textos continúan la forma amperios-vuelta (Av).

Page 7: Principios de Maquinas Electricas 1.0

Un segundo efecto importante de un campo

magnético sobre sus alrededores es el que induce

una fuerza sobre un alambre conductor que porta

corriente y se encuentra dentro del campo.

El concepto básico se ilustra en la siguiente figura,

que muestra un conductor dentro de un campo

magnético uniforme de densidad de flujo B, y que

apunta hacia adentro de la pagina. El conductor

mide l metros y porta una corriente de i amperes.

La fuerza inducida sobre el conductor esta dada

por:

) ( BxLiF

Producción de fuerza inducida en un alambre

I = magnitud de corriente

en el alambre.

L = longitud del alambre,

en la dirección del flujo de

corriente.

B = vector de densidad de

flujo magnético

Page 8: Principios de Maquinas Electricas 1.0

La dirección de la fuerza está dada por la regla de

la mano derecha.

Producto cruz:

El resultado del producto cruz de dos vectores

perpendiculares es otro vector perpendicular a

dichos vectores (regla de la mano derecha).

El producto cruz de vectores paralelos es cero.

Índice.- vector de corriente.

Medio.- vector de campo magnético a 90º de índice.

Pulgar.- Vector de Fuerza (resultante del producto cruz de

vector de corriente y campo)

)sen( ilBF

Producción de fuerza inducida en un alambre

La magnitud de esta

fuerza esta dada por

la ecuación.

Donde F es el ángulo

comprendido entre el

alambre y el vector de

densidad de flujo.

Page 9: Principios de Maquinas Electricas 1.0

Ejemplo:

La figura muestra un alambre que porta corriente

en presencia de un campo magnetico. La

densidad de flujo del campo es o.25 T, dirigida

hacia adentro de la pagina . Si el alambre tiene

1.0 m de longitud y porta una corriente de 0.5 A en

dirección de arriba abajo de la imagen, ¿Cuál es

la magnitud y dirección de la fuerza inducida sobre

el alambre?

)sen( ilBF

Producción de fuerza inducida en un alambre

=(0.5 A) (1.0 m) (0.25 T) sen 90º

La inducción de la fuerza en un alambre conductor que

porta corriente en presencia de un campo magnético

es la base de la acción motriz. Casi todo tipo de motor

se basa en este principio básico para las fuerzas y

pares que lo mueven.

Page 10: Principios de Maquinas Electricas 1.0

Hay una tercera forma importante de interacción

entre un campo magnético y sus alrededor. Si un

alambre conductor orientado de manera adecuada

se desplaza a través de un campo magnético, se

induce un voltaje en aquél. Esta idea se ilustra en

la siguiente figura.

Voltaje Inducido en un conductor que se mueve en un campo magnético.

lBxveind ) (

v = velocidad del alambre.

B = vector de densidad de

flujo magnético

L = longitud del conductor

en el campo magnetico.

Page 11: Principios de Maquinas Electricas 1.0

El vector l apunta en la dirección del alambre

hacia el extremo que forma el ángulo más

pequeño con respecto al vector v x B. El voltaje en

el alambre se inducirá de modo que su extremo

positivo este en dirección del vector v x B, los

siguientes ejemplos ilustran este concepto.

Voltaje Inducido en un conductor que se mueve en un campo magnético.

Ejemplo:

La figura muestra un conductor que se mueve a

una velocidad de 5.0 m/s hacia la derecha, en

presencia de un campo magnetico. La densidad

de flujo es 0.5 T dirigida hacia la imagen y la

longitud del alambre es 1.0 m, orientada como se

muestra ¿Cuáles son la magnitud y polaridad del

voltaje inducido resultante?

Page 12: Principios de Maquinas Electricas 1.0

Producción de fuerza inducida en un alambre

=(vB sen 90º) l cos 0º

La cantidad v x B es ascendente. Entonces, el voltaje

del conductor será positivo en la parte superior del

alambre. La dirección del vector l es ascendente, de

modo que el menor ángulo con el vector v x B.

Puesto que v es perpendicular a B y como v XB es

paralelo a l, La magnitud del voltaje inducido se reduce

a:

lBxveind ) (

= vBl

=(5.0 m/s) (0.5 T) (1.0 m)

= 2.5 V

Por tanto el voltaje es 2.5 V, positivo en la parte

superior del alambre.

Page 13: Principios de Maquinas Electricas 1.0

Voltaje Inducido en un conductor que se mueve en un campo magnético.

Ejemplo:

La figura muestra un conductor que se mueve a

una velocidad de 10.0 m/s hacia la derecha, en un

campo magnético. La densidad de flujo es 0.5 T

hacia fuera de la imagen y el alambre tiene 1.0 m

de longitud como se muestra. ¿Cuáles es la

magnitud y polaridad del voltaje resultante?

Page 14: Principios de Maquinas Electricas 1.0

Producción de fuerza inducida en un alambre

=(vB sen 90º) l cos 30º

La dirección de la cantidad v x B es descendente. El

alambre no está orientado en una línea vertical; en

consecuencia, escoja la dirección de l como se

muestra en la figura, de modo que forme el ángulo

mínimo posible con la dirección de v x B. El voltaje es

positivo en la parte inferior del alambre. La magnitud

del voltaje es:

lBxveind ) (

=(10.0 m/s) (0.5 T) (1.0 m) cos 30º

= 4.33 V

La inducción de voltaje en un alambre conductor que

se mueve dentro de un campo magnético es el

fundamento de la operación de todo generador. Por

esta razón. Se le llama generatriz.

Page 15: Principios de Maquinas Electricas 1.0

La histéresis sucede cuando un material o

sustancia adquiere una propiedad por estímulos

externos y, al retirarle dicho estímulo, continua

manteniendo cierta magnitud o cantidad de esa

propiedad generada.

En términos magnéticos sería cuando un material

ferromagnético recibe la influencia de un campo

magnético (imanes) y mantiene durante cierto

periodo de tiempo una cantidad de ese

magnetismo.

Esta magnitud magnética es especialmente

interesante en lo que se refiere a ciertas máquinas

eléctricas como pueden ser, los transformadores,

los motores, los generadores, los electroimanes,

etc. En este tipo de máquinas se necesita tener

bajo el nivel de histéresis para evitar las pérdidas

de energía por histéresis. .

La histéresis magnética