MAQUINAS ELECTRICAS MODULO DE AUTOAPRENDIZAJE V

Transcripción

1 SESION 1: INTRODUCCION DE A LOS PRINCIPIOS DE LAS MAQUINAS ELECTRICAS 1. DEFINICION DE MAQUINAS ELECTRICAS Las Máquinas Eléctrica son dispositivos empleados en la conversión de la energía mecánica a energía eléctrica, energía eléctrica a energía mecánica y en la transformación de la energía eléctrica con un nivel de voltaje a una energía eléctrica con otro nivel de voltaje, mediante la acción de un campo magnético. Básicamente son tres las principales máquinas eléctricas: EL GENERADOR, EL MOTOR Y EL TRANSFORMADOR. A continuación se muestran dos figuras de representación y la interacción de éstas máquinas vs la energía. Fig. 1 Simbología y tipos de energía de las máquinas eléctricas. Fig. 2. Flujos de energía de las máquinas eléctricas Msc, César L. Lopez A Ingeniero en Energía-Mecánico Electricista CIP Página 1

2 2. EL CAMPO MAGNÉTICO Denominado también INDUCCIÓN MAGNÉTICA = FLUJO MAGNETICO Un campo magnético es un campo de fuerza creado como consecuencia del movimiento de cargas eléctricas (flujo de la electricidad). La forma de actuar los campos magnéticos se deduce de las Leyes de MAXWELL y los parámetros correspondientes a los diferentes materiales magnéticos recorridos por dichos campos. Se desprecian la interacción de las corrientes de desplazamiento en las leyes de MAXWELL, debido a que las frecuencias de 50Hz y 60Hz usados en las máquinas eléctricas son realmente bajas y en consecuencia se considera la conversión casi estática, para todos los efectos del cálculo. El flujo magnético (representado por la letra griega fi Φ), es una medida de la cantidad de magnetismo, y se calcula a partir del campo magnético, la superficie sobre la cual actúa y el ángulo de incidencia formado entre las líneas de campo magnético y los diferentes elementos de dicha superficie. La unidad de flujo magnético en el Sistema Internacional de Unidades es el weber y se designa por Wb (motivo por el cual se conocen como weberímetros los aparatos empleados para medir el flujo magnético). En el sistema cegesimal se utiliza el maxwell (1 weber =10 8 maxwells). Se denomina flujo magnético a la cantidad de líneas de fuerza que pasan por un circuito magnético. Si el campo magnético B es vector paralelo al vector superficie de área S, el flujo Φ que pasa a través de dicha área es simplemente el producto del valor absoluto de ambos vectores: ec. 1 En muchos casos el campo magnético no será normal a la superficie, sino que forma un ángulo θ con la normal, por lo que podemos generalizar un poco más tomando vectores: Vectores normales a una superficie dada. ec. 2 Generalizando aún más, podemos tener en cuenta una superficie irregular atravesada por un campo magnético heterogéneo. De esta manera, tenemos que considerar cada diferencial de área: ec. 3 A continuación se muestra las siguientes figuras que muestran el flujo magnético por una espira y el vector normal del campo magnético a una superficie dada. Fig. 3 Flujo magnético por una espira. Fig. 4 Vectores normales a una superficie dada La unidad de medida en el Sistema Internacional de la superficie o área por donde atraviesa el flujo magnético es en m², entonces según la ec. 1, la unidad de medida el campo magnético B es Wb/m², conocido como TESLA Msc, César L. Lopez A Ingeniero en Energía-Mecánico Electricista CIP Página 2

3 En el Sistema Inglés la unidad de medida del flujo magnético Φ es el Maxwell = Linea, la superficie se da en inch², la unidad de medida el campo magnético B es Maxwell/inch² Al campo magnético B también se le conoce con la densidad del flujo magnético resultante producido dentro de un material. 3. PRODUCCIÓN DEL CAMPO MAGNÉTICO La Ley Básica que gobierna la producción de un campo magnético por una corriente eléctrica es la Ley de Ampere que establece lo siguiente: AL CIRCULAR UNA CORRIENTE ELECTRICA I POR UN CONDUCTOR SE PRODUCE UN CAMPO MAGNÉTICO DE INTENSIDAD H ALREDEDOR DE EL. Según la Ley de Ampere, la integral tangencial de H a lo largo de la trayectoria cerrada L, es igual a la corriente encerrada por la trayectoria. Cuando la trayectoria cerrada es atravesada N veces por la corriente I, entonces un total de NI ampere atraviesa la trayectoria cerrada, la cual produce una intensidad H, con ello la Ley de Ampere para una bobina de N espiras establece: Donde: I = Ampere (A) H dl= N I.. ec. 4 L = Longitud media cerrada o de la trayectoria (m) N = Número de vueltas o espiras H = Intensidad de campo magnético en Ampere-vuelta/m = Ampere-espira/m Fig.5 Campo magnético producido por una corriente que recorre N vueltas La Intensidad del campo magnético H es la medida del esfuerzo que hace una corriente total NI para crear un campo magnético. El flujo del campo Φ producido, depende del material del cual está hecho el medio por el cual atraviesa el campo magnético, este medio se le conoce como núcleo, definido como material del núcleo La relación entre la intensidad del campo magnético H y la densidad de flujo magnético B resultante dentro del material está dada por la siguiente ecuación: B = μ H ec. 5 μ es la permeabilidad magnética del material, representa la facilidad relativa que presenta un material para que en él se establezca un campo magnético, cuya unidad es Wb/A-V.m CONCLUSION: El campo magnético producido por la corriente NI, es definida por su Intensidad H, su Densidad B y la Magnitud de Flujo Φ, la cual recorre una trayectoria cerrada promedio L de sección transversal A de un núcleo de material magnético (hierro) cuya permeabilidad es μ. A continuación se muestra la relación de estas variables en un núcleo magnético sencillo: Msc, César L. Lopez A Ingeniero en Energía-Mecánico Electricista CIP Página 3

4 Fig. 6 Núcleo magnético sencillo Fig. 7 Densidad de flujo en el núcleo magnético 4. PRINCIPIOS DE LAS MAQUINAS ELECTRICAS La manera como el campo magnético actúa en las diferentes máquinas eléctricas, se pueden describir mediante los cuatro principios básicos 1. Al circular corriente por un conductor se produce un campo magnético alrededor de él. Esta es la base de la PRODUCCION DE CAMPO MAGNÉTICO. 2. Si a través de una espira se pasa un campo magnético variable con el tiempo, se induce un voltaje en dicha espira. Esta es la base de la ACCION TRANSFORMADORA. 3. Si un conductor por el cual circula corriente, se encuentra dentro de un campo magnético, se produce una fuerza sobre dicho conductor. Esta es la base de la ACCION MOTOR. 4. Cuando un conductor en movimiento se encuentra inmerso dentro de un campo magnético, en dicho conductor se induce un voltaje. Esta es la base de la ACCION GENERADORA 5. PRACTICA DE COMPROBACION I. Completar los siguientes cuadros: Variable Simbolo Unidad S.I Unidad Inglesa Corriente Eléctrica Flujo Magnético Area o Superficie Campo Magnético Permeabilidad magnética Intensidad de Campo Magnético Msc, César L. Lopez A Ingeniero en Energía-Mecánico Electricista CIP Página 4

5 MAQUINA ELECTRICA ENERGIA ENTRADA ENERGÍA SALIDA MOTOR GENERADOR TRANSFORMACION II. Desarrollar 1. Cómo se produce un campo magnético, que nombre tiene la ley que lo produce 2. Cuál es la relación entre el campo magnético y la corriente 3. Cuál es la relación entre la Intensidad de Campo magnético, densidad del flujo magnético y flujo magnético. III. Marque la(s) alternativas correctas 1. La unidad de medida del campo magnético es: a) Wb/m² b) A-V/m c) Kl/inch² d) Wb e)tesla 2. El tipo de energía que recibe un generador es del tipo : b) Mecánica Lineal b) Mecánica Rotativa c) Calor d) Eléctrica 3. Para funcionar una máquina eléctrica, se utiliza básicamente el: c) Campo Eléctrico b) Campo Magnético c) La Resistencia d) N.A 4. Para funcionar una máquina eléctrica, se utiliza básicamente el: d) Campo Eléctrico b) Campo Magnético c) La Resistencia d) N.A 5. Se origina un campo magnético o se induce un campo, por: e) La corriente b) las espiras c) el núcleo d) la tensión Msc, César L. Lopez A Ingeniero en Energía-Mecánico Electricista CIP Página 5