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Máquinas Eléctricas
Por: Edwin Neto
El trabajo presente consta de una pequeña síntesis del
estudio de máquinas eléctricas.
Temática

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

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
Bibliografía
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)
E V B
Ecuación 1
 La ecuación 2 una variable mecánica (F) en
función de una variable eléctrica (i) y el campo
(B).
Ecuación 2
F iB
 Ecuaciones del convertidor electromecánico que
dependen del conductor y el campo que se
muevan:
Ecuación 3
1
e   E.dl  E.l  v.B.l
0
1
F   Fdl  F.l  i.B.l
0
i V e
R
Circuitos Magnéticos

Son estructuras compuestas de material ferromagnético de alta
permeabilidad en su gran totalidad, por la que circula una fuerza
magnetomotriz
 Ejemplo
i
+
Línea del flujo
magnético
Área de la sección
transversal
Devanado con N
vueltas
Permeabilidad
magnética
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.
X1
H1
H2
Devanado
Secundario
Devanado
Primario
X2
Núcleo ferromagnético
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:
X  2fL
l1
li

El flujo de dispersión en el devanado secundario de la misma forma que en
el principal, produce una reactancia inductiva dada por:
X
l2
 2fL
l2
Circuito equivalente transformador tiene como base un transformador Ideal
R1
Xl1
R2
+
+
Im
V1
+
I2’
I1
Rc
I2
E1
Xm
V2
E2
-
-
Xl2
-
Circuito equivalente referido al primario
R1
Xl1
aR2
+
Im
Rc
+
I2
a
I1
V1
aXl2
aV2
a²Xm
-
-
Circuito equivalente referido al lado del secundario
Xl1
R1
a
a
aR2
+
aIm
-
a²Rc
+
I2
aI1
V1
aXl2
a²Xm
aV2
-
ZL
Pruebas Aplicadas a un
Transformador

Prueba de corto circuito
Req
A
Xeq
W
Isc
CA

Fuente
AC
V
Lado
de alta
Lado
de baja
N1
N2
A
Vsc
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.

Prueba de circuito abierto
Req
A
+
Im
Ioc
CA

Fuente
AC
Xeq
W
V
Lado
de baja
Lado
de alta
N1
N2
Voc
Ic =0
+
Circuito
abierto
Rc
Xm
-
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
Estator
Is
q
Wm
Ir
Rotor

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.
ra
jXs
jXA
jXD
+
ID
Vr
E
-


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
ZS
ZS=ra+jXs
E
Ia
Vt
-


Máquina Sincrónica de Polos Salientes
Las máquinas sincrónicas de polos salientes son de baja velocidad
y de gran número de polos; la reluctancia magnética a lo largo del
polo es baja y alta en la zona interpolar, por tanto la corriente de
armadura (Ia) producirá mayor flujo en la zona de baja reluctancia
(zona polar) de nominado “eje directo” que en la zona interpolar
denominado “eje de cuadratura” es decir la reactancia es variable y
varia según la posición del rotor.
Este hecho fue introducido por “Andrés Blendel. La teoría propone
descomponer las fuerzas magnetomotrices dadas en dos
componentes mutuamente perpendiculares, una a lo largo del polo
saliente de rotor, conocida como eje directo (o eje d) y la otra en
cuadratura, conocida como eje de cuadratura (o eje q)”
En la figura reacción de armadura máquina sincrónica de polos
salientes
Máquinas Inducción

La máquina de inducción tiene un gran éxito funcionando como motor en
aplicaciones industriales de potencia; esta compuesta de un rotor que es un trozo
de metal con incrustaciones de hierro y cobre y un estator que se parece al
primario de un transformador; toda la energía eléctrica es proporcionada desde el
estator hacia el rotor. Los flujos producidos por las corrientes del estator generan
un campo magnético rotatorio que corta a los conductores del rotor, y de esta
forma se obtiene sobre ellos fuerza electromotriz inducida que es utilizada para
forzar corrientes en los ejes, directo y axial del rotor. Al interactuar el campo
magnético rotatorio del estator con el campo magnético rotatorio originado por las
corrientes que circulan en el rotor se produce el torque eléctrico. El fenómeno
descrito, similar a la operación de un transformador, ha permitido la construcción
de una máquina de gran difusión industrial debido a que por su sencillez, esta
máquina resulta económica, robusta y de poco mantenimiento ya que no tiene
escobillas ni contactos móviles con el rotor.

En muy contados casos esta máquina se puede utilizar como generador por
ejemplo en conversión de energía eólica, mini centrales eléctricas, con el
propósito único de minimizar costo.


Circuito Equivalente Máquina de Inducción
El circuito equivalente de la maquina de inducción es semejante al de un
transformador, esto se debe a la transformación que existe al inducir
corrientes en el rotor, desde el estator.
Suponiendo que el rotor está parado (ωm = 0, S = 1) podemos construir un
circuito equivalente monofásico igual al del transformador tal como se
indica en la figura siguiente
R1
jX1
R2
+
Im
I2
I1
V1
Rp
jX2
Xm
N1 E1
N2 E2
-
Circuito equivalente general
r1
jX1
+
Im
I1
V1
-
jX2
I2
r2/S
Rp
jXm

Máquinas Corriente Continua
Las máquinas de corriente continua u homo polares, se denomina
así por que están energizadas por una fuente de corriente
continua a demás se caracterizan por adaptarse a diferentes
funciones debido a las diversas combinaciones de conexiones
posibles a los devanados; los devanados se pueden conectar en
derivación (shunt), en serie y excitación separada de los campos,
lo que le da un amplio rango de volt-ampere y velocidad-torque,
tanto para funcionamiento dinámico como para estado
estacionario. Debido a la facilidad con la que se pueden controlar,
a menudo se usan en sistemas que necesiten un amplio rango de
velocidad y preciso control de torque. En los últimos años la
tecnología de sistemas de control de estado sólido se ha
desarrollado lo suficiente para controladores de corriente alterna
(ca), y por lo tanto se comienzan a ver dichos sistemas en
aplicaciones que antes se asociaban casi exclusivamente con las
máquinas de cc
Principio de Funcionamiento de la Máquina de Corriente
Continua.

La máquina de corriente continua se utiliza para generar una
tensión constante cuando funciona como generador y para producir
par mecánico (torque) cuando funciona como motor.

El principio de funcionamiento como generador se basa en la
ley general de la inducción electromagnética. La máquina tiene
básicamente dos arrollamientos, uno ubicado en el estator cuya
función es crear un campo magnético por lo que se le denomina
inductor. El otro arrollamiento está ubicado en el rotor y se
denomina inducido ó armadura; básicamente se fundamenta en la
inyección de corriente continua tanto en el circuito estator y rotor.
Diagrama de la máquina de corriente continua.
Aplicaciones Máquinas
Eléctricas



El mundo de hoy esta construido sobre el avance del
sector de la industria; las máquinas eléctricas abarca
gran parte del desarrollo industrial y económico.
Las constantes investigaciones han ido mejorando
para que las máquinas eléctricas sean eficientes, de
gran rendimiento y más que todo proporcionen gran
seguridad al sector industrial.
Las máquinas eléctricas están utilizadas en la vida
cotidiana desde el uso de un foco hasta los
suministros de gran potencia; este avance ha hecho
que las máquinas estén inmersas a diferentes
cambios y mejoras; en estos párrafos siguientes
analizamos la aplicabilidad de las máquinas eléctricas
estudiadas en los capítulos anteriores:
Transformadores






En los sistemas industriales los transformadores tienen gran aplicabilidad:
Se utilizan para la transmisión y subtransmisión de energía eléctrica en las
subestaciones transmisoras, generadores y distribución en general estos
transformadores son de gran potencia.
Los transformadores de distribución se utilizan para la distribución de
energía eléctrica de media tensión; se encuentran en las zonas urbanas,
rurales, en las industrias, en la minería, en general en toda actividad que
requiera la utilización de energía eléctrica.
Los transformadores de corriente y los transformadores de voltaje utilizados
en general dentro de la industria para toma de muestras de corriente y de
voltaje respectivamente, reducirla y a un nivel medible y seguro, que actúa
en conjunto con otros dispositivos de medida.
Los transformadores para radio frecuencia, utilizados en la electrónica para
acople de señal.
En el sector eléctrico es importante el uso, aplicación y mantenimiento de
transformadores para ofrecer una eficiencia y seguridad al momento de
generar distribuir y consumir energía eléctrica.
Máquina Sincrónica.


Las máquinas sincrónicas operando como generadores,
están en las grandes centrales hidráulicas, térmicas y
nucleares; este tipo de máquina genera la mayor parte
de energía eléctrica, como motor no es muy usual
encontrar dentro de la industria debido a que muy pocos
impulsadores funcionan a velocidad constante y no se
desarrolla el par de arranque.
Las máquinas sincrónicas de rotor liso se utilizan en los
sectores de la industria en donde deben operar en altas
velocidades en el rango de 3000- 3600 rpm; y, las
máquinas sincrónicas de polos salientes en sectores
donde se operan a menor velocidad.
Máquina de Inducción.

Las máquinas de inducción son los
convertidores electromecánicos más utilizados
dentro de la industria, debido a su construcción
sencilla y robusta, con una tasa de fallas muy
reducidas; en pocos casos es utilizado como
generador, como motor tiene amplias
aplicaciones estas son: Ventiladores, bombas,
tornos, compresores, transportadores,
troqueladoras y cortadoras
Maquinas de Corriente continua

Son ampliamente utilizadas en la industria
donde se requiere control de par y de velocidad
debido a su alta velocidad de respuesta. Puede
utilizarse como generador y como motor, con
diferentes tipos de conexiones y control de
arranque y velocidad, aquí en los diferentes
campos que se utiliza las máquinas de corriente
continua: motores de tracción, grúas móviles,
trenes eléctricos, motores de arranque, motores
para ventiladores, y en general en muchas
aplicaciones de control como activadores,
sensores de velocidad y de posición.
Evaluación Elemental del Estudio
de Máquinas Eléctricas
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
¿Qué es conversión de energía electromagnética?
La conversión de energía electromecánica es el paso que se da entre energía
eléctrica y mecánica o viceversa, a través del campo eléctrico o magnético creado
por un dispositivo de conversión.
¿Cite los tipos de máquinas eléctricas?
Máquinas estáticas: Transformadores
Máquinas rotativas: Máquinas AC, máquinas CC, máquinas sincrónicas, máquinas
de inducción.
¿Subraye los elemento básicos de las maquinas rotativos?
Tacómetro
Estator
Devanados de inducido
Cojinete
Devanados de Campo
Compresor
Escobillas
Rotor
Termostato

¿Cuál es la constitución de un transformador?
Un transformador esta constituido básicamente de un núcleo de material
ferromagnético y dos devanados que respectivamente se denominan primario y
secundario.


¿Qué es transformador?
Un transformador es una máquina electromagnética que permite aumentar o
disminuir la tensión manteniendo igual la potencia de entrada con la de salida.
Subraye: ¿Inducción electromagnética es?
A. Fuerza que existe entre las placas (con cargas opuestas) de un capacitor; ya que
si se coloca un dieléctrico entre las placas, tenderá a moverse a la parte del campo
con mayor densidad.
B. Es el movimiento relativo entre un campo magnético y un conductor de
electricidad para generar una fuerza electromotriz.
Subraye: ¿Fuerza electromagnética?
Interacción o fuerza que actúa sobre partículas de carga eléctrica.
Interacción transmitida por los bosones vectoriales.

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

¿A que se debe que la máquina sincrónica se llame así?
Debido a que su operación realiza a la velocidad sincrónica, esto es, a la velocidad
mecánica equiva1ente a la velocidad de rotación de campo magnético rotativo
producido por las corrientes del estator.
¿Dibuje el circuito equivalente de la máquina de inducción?
r1
jX1
+
Im
I1
V1
jX2
I2
r2/S
Rp
jXm
-

¿Enuncie el principio de funcionamiento de la máquina de corriente continua?

El principio de funcionamiento se basa en la ley general de la inducción
electromagnética. La máquina tiene básicamente dos arrollamientos, uno ubicado en
el estator cuya función es crear un campo magnético y el otro arrollamiento está
ubicado en el rotor y se denomina inducido ó armadura; mediante estos se realiza la
inyección de corriente continua tanto en el circuito estator y rotor creando el torque
necesario para mover una carga.
BIBLIOGRAFÍA
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FITZGERAL, Kinsgley, Máquinas Eléctricas, México, Ed. McGraw- Hill, 2004
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Limusa, 2004
Manual Hidroabanico, Instrucciones para el servicio, Ecuador, 2004
ALLER, José, Máquinas Eléctricas Rotativas, Ed. Equinoccio, Caracas, 2007.
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2000
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1993.
CATHEY, Jimmie, Máquinas Eléctricas, Ed. McGraw- Hill, 2002
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http://miro.h3m.com/~s04be433/maquinaselectricas.htm.
http://www.elprisma.com/apuntes/curso.asp?id=11212
http://www.ilustrados.com/