Temática
Objetivos
Conversión de Energía Electromecánica
Circuitos Magnéticos
El Transformador
Transformador real circuitos equivalentes
Pruebas aplicadas a los transformadores
Máquinas Rotativas
Tipos de máquinas eléctricas rotativas
Aplicaciones de las máquinas eléctricas
Evaluación
Objetivos
Explicar los principios de funcionamiento de las máquinas eléctricas.
Aplicar los fundamentos en la operación de máquinas eléctricas.
Conversión de energía electromecánica.
La conversión de energía electromecánica es el paso que se da entre energía eléctrica y mecánica o viceversa, que ocurre a través del campo eléctrico o magnético creado por un dispositivo de conversión
El principio de conversión electromecánica de energía podemos resumir en las ecuaciones siguientes:
La ecuación 1 calcula la variable (e) en función de una variable mecánica (v) y el campo. (B)
Ecuación 1
La ecuación 2 una variable mecánica (F) en función de una variable eléctrica (i) y el campo (B).
Ecuación 2
Ecuaciones del convertidor electromecánico que dependen del conductor y el campo que se muevan:
Ecuación 3
Circuitos Magnéticos
Son estructuras compuestas de material ferromagnético de alta permeabilidad en su gran totalidad, por la que circula una fuerza magnetomotriz
Ejemplo
El Transformador
Un transformador es una máquina electromagnética que permite aumentar o disminuir la tensión manteniendo igual la potencia de entrada con la de salida.
Esta compuesto de dos o más devanados aislados entre si y acoplados con un flujo magnético, y un núcleo de material ferromagnético para realizar inducción entre el devanado primario y secundario; esta diseñado para el procesamiento de potencia con un desempeño de pocas pérdidas y una baja caída de tensión
En la figura se puede observar una construcción básica de material ferromagnético de estructura tipo núcleo, donde el flujo magnético establecido por el devanado primario enlaza al devanado secundario por medio de un camino cerrado llamado núcleo.
Transformador Real y Circuito Equivalente
Un transformador real deberá tomar en cuenta los efectos que produce la resistencia del devanado (R1, R2), los flujos de dispersión, los flujos de dispersión debido a la permeabilidad finita del núcleo; para este análisis se presenta la técnica del circuito equivalente.
En el transformador se considera el flujo que enlaza el devanado principal dividido en dos componentes: El primer flujo debido a la corriente principal y secundaria llamado flujo mutuo, el segundo el flujo de dispersión que enlaza el devanado principal o secundario respectivamente.
El flujo de dispersión de dispersión produce una reactancia inductiva de dispersión principal que se determina a partir de:
El flujo de dispersión en el devanado secundario de la misma forma que en el principal, produce una reactancia inductiva dada por:
Circuito equivalente transformador tiene como base un transformador Ideal
Circuito equivalente referido al primario
Circuito equivalente referido al lado del secundario
Prueba de corto circuito
La prueba nos da la siguiente información:
La impedancia de dispersión equivalente del transformador, la resistencia equivalente referida al lado de alta y la reactancia de dispersión equivalente referida al lado de alta.
Pruebas Aplicadas a un Transformador
Prueba de circuito abierto
Los parámetros a determinar son la admitancia (Ym) de excitación con sus componentes (Rc, Xm), esta claro que la impedancia de dispersión no afecta en esta prueba.
Tipos de transformadores
Los transformadores son utilizados en varias aplicaciones desde la generación, transporte y distribución de la energía; los tipos de transformadores son:
Según su aplicación: Transformadores de potencia, de protección, de distribución, de comunicación y de medida.
Según el sistema de tensión: Monofásico, trifásico,
Según relación de la tensión del primario y el secundario: Elevador y reductor.
Según el medio: Interior y exterior.
Según el elemento refrigerante: Seco y en aceite
Estos transformadores, funcionan según los principios básicos descritos en el presente capítulo.
El análisis de cada uno de estos dejamos para materia de los siguientes cursos
Transformadores de potencia. Son utilizados en la subtransmisión, y transmisión de la energía eléctrica de alta y media tensión; generalmente este tipo de transformadores se lo puede encontrar en las centrales de generación de energía eléctrica, en las subestaciones transformadoras.
Máquinas Rotativas
Principios Generales:
La máquina eléctrica, es un dispositivo de conversión de energía electromecánica; Si la conversión de energía es de eléctrica a mecánica se llama motor y si la conversión es de mecánica a eléctrica se denomina generador. Este particular analizamos en la unidad 1.
En las máquinas eléctricas rotativas los voltajes se generan en los devanados o en el grupo de bobinas: al hacer girar estos devanados de manera mecánica a través de un campo magnético, al girar mecánicamente un campo magnético por el devanado o al diseñar el circuito magnético de manera que la reluctancia varié con al rotación.
En la figura 22 se observa una máquina eléctrica rotativa, la parte fija se denomina estator, la parte móvil rotor, tanto el estator como el rotor están compuestos de devanados por donde circula corriente; la corriente es suministrada al devanado del rotor por medio de escobillas fijas y a través de anillos deslizantes montados en el rotor.
Maquina rotativa elemental
Las máquinas eléctricas convencionales tienen varios elementos comunes que permiten realizar modelos analíticos generalizados.
En general tenemos diferentes tipos de máquinas eléctricas rotativas que cumplen diferentes funciones, pero con los mismos principios de construcción y funcionamiento.
Tipos de Máquinas Eléctricas Rotativas
Generador. Este tipo de máquina transforma la energía mecánica en eléctrica. La podemos encontrar en las centrales hidráulicas de generación eléctrica estas son accionadas mediante turbinas que pueden ser hidráulicas o a vapor; también encontramos en los equipos de transporte y son accionados mediante motores de combustión interna o turbinas a vapor, además se utiliza en equipos de comunicación como fuente de energía.
Motor. Este tipo de máquina transforma la energía eléctrica en mecánica. Se puede encontrar en industrias, en la agricultura, en los electrodomésticos, en equipos de comunicación, en sistemas automáticos de control, en general en dispositivos que sirven para accionar mecanismos que controlan algún proceso o realizan algún trabajo mecánico.
Compensadores electromecánicos. Máquinas que generan o absorben potencia reactiva en los sistemas eléctricos de potencia para mejorar la eficiencia eléctrica.
Máquinas de Corriente Continua. Máquinas que se alimentan o general corriente del tipo continua.
Máquinas de corriente alterna. Máquinas que se alimentan o generan corriente alterna.
Las máquinas en dependencia de su funcionamiento y de su sistema magnético se clasifican en: Máquinas de corriente continua, máquinas de inducción, máquinas sincrónicas; dedicamos la mitad del capítulo al análisis de estas máquinas ya que dentro de este grupo se ubican la gran mayoría de máquinas citadas anteriormente y estas funcionan como motor o generador y se aplican ampliamente dependiendo de su uso y construcción para las cuales fueron creadas.
Tipos de Máquinas Eléctricas Rotativas Según Construcción
Máquinas Sincrónicas.
La máquinas sincrónica es un convertidor electromecánico de energía compuesto de una parte móvil denominada rotor y una parte fija denominada estator, ambas partes están construidas de material ferromagnético en donde se ubican los devanados. En el estator se aloja el devanado de armadura o inducido que es alimentado con tensión trifásica, y en el rotor se encuentra el devanado de campo o inductor alimentado con tensión continua.
Al aplicar un juego de corrientes trifásicas simétricas y equilibradas en el bobinado del estator, se genera, un campo magnético rotativo que gira a frecuencia angular. Si por otro lado se tiene al rotor girando a la misma velocidad del campo magnético rotativo producido por el estator y se inyecta una corriente continua al campo, se producirá un campo magnético rotativo producido por el giro mecánico también a la velocidad sincrónica.
Las máquinas sincrónicas son utilizadas como generadores para convertir grandes cantidades de energía primaria en energía eléctrica; también pueden utilizarse como motores en los lugares donde se necesita velocidad constante; estos motores sincrónicos tienen la característica de trabajar tomando o entregando potencia reactiva, la dificultad para usar esta máquina como motor es que no desarrolla par de arranque, pero si se incluye en el rotor un devanado auxiliar de jaula de ardilla es posible obtener un par de aceleración y sincronizarse con la red.
Máquinas Sincrónica de Rotor Cilíndrico
Para el análisis de esta máquina, el entrehierro es constante, esto implica tener un circuito magnético no variable.
La maquina puede representarse mediante la tensión E en serie con una resistencia (ra) de la armadura de la máquina y una reactancia sincrónica Xs.
En la figura se representa la reactancia sincrónica de la máquina de rotor cilíndrico.
Circuito Equivalente de la Máquina Sincrónica de Rotor Cilíndrico
En la figura 25 se representa el circuito equivalente de la máquina sincrónica de rotor cilíndrico; la impedancia ZS es igual a la suma de la resistencia de armadura más la reactancia sincrónica
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