Resumen de Máquinas e Instalaciones Eléctricas PDF

CIRCUITOS MAGNÉTICOS (C.M) Las máquinas eléctricas funcionan por acoplamientos magnéticos que se dan debido a los campos magnéticos generados por dichas máquinas. Un circuito magnético es una sucesión de piezas metálicas ensambladas en forma de contener y encauzar las líneas...

CIRCUITOS MAGNÉTICOS (C.M) Las máquinas eléctricas funcionan por acoplamientos magnéticos que se dan debido a los campos magnéticos generados por dichas máquinas. Un circuito magnético es una sucesión de piezas metálicas ensambladas en forma de contener y encauzar las líneas de flujo hacia un lugar deseado. La función del circuito magnético es asegurar un flujo útil Φ en un determinado lugar de una máquina o aparato. Un imán genera un campo magnético. CONCEPTOS BÁSICOS: Un Imán genera un campo magnético. La líneas de fuerza son trayectorias cerradas sin principio ni fin; fuera del imán su dirección se fija del polo norte al polo sur. La densidad de líneas de fuerza indica la intensidad del campo magnético. La entrada y la salida de las líneas de fuerza en los trozos de hierro tienen lugar siempre perpendicularmente a la superficie del mismo. EFECTOS MAGNÉTICOS DE LA CORRIENTE: Al establecer una corriente continua en una bobina, se produce un campo magnético en el interior de la misma, cuyas líneas de campo o líneas de inducción tienen la dirección y el sentido indicado. La dirección y sentido se pueden obtener fácilmente con la ayuda de la regla del tirabuzón. El campo magnético existe también en el exterior de la bobina, aún cuando sus efectos son mucho más débiles, de lo que se deduce que es necesaria otra magnitud para dejarlo completamente determinado en todos los puntos del espacio en donde aparece. Esa es la inducción magnética, B [Wb/m2]. En algunos casos, se emplea el flujo magnético, para señalar la acción magnética total en una superficie dada, que se indica con la letra Φ y se mide en Wb. Φ=B.S, siendo S la sección recta de interés, perpendicular al flujo en m2. Φ transporta la energía generada de forma eléctrica para transformarla, por ejemplo: en un motor, en rotación, ósea en trabajo mecánico. ANILLO DE ROWLAND: Consiste en un anillo circular sobre el cual están arrolladas en forma perfectamente uniforme y compacta N espiras por las que circula la corriente i, corriente magnetizante. La inducción en el anillo vale: B=(U0. N.i)/L , donde U0 es la permeabilidad absoluta o del vacío. N es el numero de espiras, i es la corriente magnetizante, L es la longitud de la línea media magnética, representada por la línea punteada. (camino que recorre el flujo), Se denomina la magnitud H, intensidad de campo o excitación magnética como: H= N. i/ L , i en Ampere, L en metros, H es A/metros. ARROLLAMIENTOS AL VACÍO: bobina recta en el vacío. B=U0.H, es lineal debido a que U0 es una constante. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- TRANSFORMADOR MONOFÁSICO (T.M) TRANSFORMADOR Es una máquina estática con bajas pérdidas. Funciona solo con tensión alterna. Ingresa potencia eléctrica de corriente alterna y sale potencia eléctrica, la potencia de salida es de casi el mismo valor que la de entrada pero tiene distintos valores de tensión y corriente que en la entrada. En cualquier máquina hay pérdidas. Hay energía que ingresa a la máquina, y luego sale energía (W1-W2= ΔW). Como energía en el tiempo es igual a potencia, se puede definir que: W/tiempo=P P1-P2= Σ ΔP (watts), donde ΔP son las pérdidas. Rendimiento global de la máquina: nos indica cuánto se ‘’aprovecha’’ P1, es la relación entre P2 y P1. Rendimiento medido: n%= (P2/P1).100 Rendimiento calculado: nc%= P2 / (P2+ ΣΔP) TIPOS DE PÉRDIDAS: Las pérdidas son potencia activa que se disipa. -Pérdidas en los arrollamientos (en el cobre): Se producen por efecto Joule debido a la circulación de corriente a través de los bobinados de la máquina. Los bobinados tienen una resistencia eléctrica propia del material. Además, las pérdidas se computan a 75° porque R varía con la temperatura. Entonces, las resistencias se corrigen a 75°C con el coeficiente α que depende del material del conductor, de los arrollamientos y con la diferencia entre 75°C y la temperatura a la que se midió la resistencia. Los arrollamientos están constituidos en cobre o aluminio; αcu=0,004. ΔPcu= función de I^2. -Pérdidas en el hierro: Se dividen en pérdidas por histéresis y pérdidas por corrientes parásitas (o de Foucault). Pérdidas por histéresis: Ocurren por el material ferromagnético que tenemos  Si partimos del punto A (núcleo ferromagnético virgen) y vamos aumentando la intensidad del campo magnético (H), aumenta la inducción magnética (B) en una relación lineal hasta el punto B. Pero, luego entre B y C tengo el codo de saturación, es decir al aumentar H hay poco incremento de B. De C a D está el dominio saturado ya que por más que aumente H, no aumenta B, ya que el material ferromagnético se saturó. Si, a partir de D, se disminuye la I (corriente) que circula por la bobina, disminuye H pero podemos ver que no disminuye por la misma curva. Al comienzo no disminuye tanto B (de D a E). Cuando se anula la corriente, vemos que B no es nula, el material queda con un magnetismo remanente Br (punto E). Si desde este valor invertimos el sentido de la corriente, con lo cual se invierte el sentido de H, se llega a que el magnetismo remanente se anule (punto F donde B=0, este valor se llama campo coercitivo Hc). A partir de este punto el sentido de magnetización se invierte y llega al punto G; en el cual si vuelvo a disminuir I, la relación entre B y H se hace a través de la curva G-H. Y, luego va hasta el punto I y el punto D. Por lo tanto, de esta forma se completa un ciclo llamado ciclo de histéresis. Las pérdidas son proporcionales a la superficie encerrada por el lazo de histéresis y a la frecuencia con que trabaja la máquina. Cuanto más estrecho sea el lazo, menores pérdidas habrá. Para que el lazo sea más estrecho se utilizan materiales de buena calidad, ya que estas pérdidas tienen que ver con la calidad del material. No puedo eliminar estas pérdidas pero si puedo disminuirlas. Pérdidas por corrientes parásitas: Al trabajar con corriente alterna, el flujo magnético también será alterno. La variación del flujo en el tiempo crea una fem (e= -dΦ /dt). Como la fem aparece en un medio conductor, se originan corrientes parásitas. Estas corrientes producen un efecto Joule. Estas pérdidas son proporcionales al cuadrado de dichas corrientes, por lo que también son función del cuadrado de la inducción B y son función del cuadrado de la frecuencia. Este tipo de pérdidas no puedo eliminarlas pero se puede minimizar: -con un buen material ferromagnético. -colocando núcleos magnéticos que no sean macizos, pueden ser chapas aisladas una de otra y apiladas. Además, E es proporcional de B, por lo tanto Δph y Δpf son función del cuadrado de la tensión aplicada. Como la frecuencia en Argentina es 50Hz, es constante, se deduce que las pérdidas en el hierro son proporcionales al cuadrado de la tensión aplicada. Las pérdidas en el hierro son constantes porque son proporcionales a la tensión^2 y esa tensión es constante. ΔPfe= función de U^2 ( a frecuencia constante). -Pérdidas mecánicas: se pueden dividir en.. Pérdidas por rozamiento o rodadura. Pérdidas por ventilación: energía perdida por mover aire u otro elemento refrigerante, por ejemplo: en el entrehierro. Estas pérdidas son función cuadrática o cúbica de la velocidad de rotación n. En un transformación no existen estas pérdidas porque es una máquina totalmente estática. En las otras máquinas si hay este tipo de pérdidas, las cuales se generan por el movimiento propio de la máquina. ΔPmec= función de n^2, n^3. -Pérdidas adicionales: La determinación de este tipo de pérdidas es dificultosa. Son pequeñas y por lo tanto, son despreciables. Vienen dadas por el fabricante de la máquina. Son función de la potencia nominal de la máquina. Se desprecian o se reemplazan por otra forma de cálculo. ΔPadicionales= función de la potencia nominal de la máquina. En general, la tensión aplicada sobre una máquina es constante y su velocidad de giro también. Si la tensión es constante, ΔPfe no varía. Si n es constante, ΔPmec tampoco varía. Además, ΔPadic son despreciables y también son constantes. FACTOR DE CARGA Una máquina puede desarrollar o absorber una potencia aparente S. Esta potencia durante un tiempo tiende a infinito y se denomina SN. La máquina está preparada para cierta potencia aparente nominal (SN) -Si la máquina está trabajando a plena carga, entrega toda la potencia, y el factor de carga (fc) valdrá 1. -Si la máquina trabaja a una potencia inferior de la que puede trabajar, fc1. Este fc>1 no es sostenible en el tiempo porque estaría circulando una I>IN de la máquina, y por efecto Joule se generaría un incremento en la temperatura de la máquina. Entonces, como la máquina no es capaz de disipar esa temperatura, este aumento de temperatura comienza a dañar la aislación del alambre,ósea de la bobina. Con distintos arreglos matemáticos llegó a la conclusión de que fc depende de la corriente nominal de la máquina y de la corriente que circula en la máquina. Por lo tanto, ΔPcu serán función al cuadrado del fc. Esta es la curva típica de una máquina eléctrica. Se ve que el rendimiento máximo se da cuando el fc=0.85, cuando las pérdidas nominales variables son mayores que las fijas. Cuando la máquina trabaja al 85% de su potencia nominal se alcanza el rendimiento máximo. DETERMINACIÓN DE PÉRDIDAS En ambos ensayos la máquina no entrega potencia, por lo que la potencia absorbida será la sumatoria de las pérdidas de la máquina. Ensayo de vacío: se aplica tensión nominal a la máquina. La corriente absorbida (corriente de vacío I0 ) es pequeña en comparación a la IN. Por lo tanto, P0=ΔPfe+ΔPcu+ ΔPmec. La corriente es muy pequeña y además estas pérdidas son función del cuadrado de corriente, entonces pueden despreciarse. Por otra parte, el transformador no tiene pérdidas mecánicas porque es una máquina estática. Este ensayo nos indica ΔPfe. Ensayo de cortocircuito: circula corriente nominal en la máquina. Para que circule la corriente nominal la tensión aplicada debe ser muy baja (mucho menor a la tensión nominal), ΔPfe son despreciables. Además, el transformador no tiene pérdidas mecánicas porque es una máquina estática. Entonces, para un transformador, este ensayo nos da las ΔPcu. TIPOS DE SERVICIO Servicio continuo o permanente: es el típico servicio de un transformador. Es aquel en que la máquina brinda sus prestaciones nominales por un largo período de tiempo sin limitaciones (llega a su Tmáx, Tlímite). Se trabaja siempre con el mismo fc. Además, puede estar eternamente trabajando. Ejemplo: generador de una central eléctrica. Servicio temporario: generalmente trabaja con fc>1. Eso hace que se eleve la temperatura, por lo tanto tiene tiempos de accionamiento cortos y los períodos de reposo son lo suficientemente largos como para que la máquina se enfríe hasta la temperatura ambiente. Ejemplo: motor de arranque de autos. Además, si sobrepasa la temperatura máxima por mucho tiempo puede dañarse la máquina. Servicio intermitente: trabaja con fc variable, por lo que la temperatura fluctúa pudiendo llegar a la temperatura máxima, pero no se enfría lo suficiente como para llegar a la temperatura ambiente. Ejemplo: motor de ascensor. TIPOS DE TRANSFORMADORES: →TRANSFORMADOR MONOFÁSICO ‘’DE NÚCLEO’’: Es de baja potencia. Tiene un núcleo de material ferromagnético, no tiene entrehierro y tiene un bobinado primario y un bobinado secundario. Por el 1rio ingresa energía (ese bobinado está conectado a la red) y el secundario en el transformador suministra energía. →TRANSFORMADOR MONOFÁSICO ‘’ACORAZADO’’: Los dos bobinados se colocan en la columna central. Se coloca primero el bobinado de baja tensión (N2), y luego se le arrolla encima al bobinado de alta tensión (N1). De esa manera, se minimiza el flujo magnético disperso de ambos bobinados y se obtiene un mejor rendimiento de la máquina. Este tipo de transformador tiene mejor rendimiento que el transformador de núcleo. →TRANSFORMADOR MONOFÁSICO IDEAL: En este tipo de transformador las bobinas primarias y secundarias no tienen resistencia óhmica. Todo el flujo se encuentra en el núcleo de láminas de acero, no hay flujo disperso. El núcleo no tiene reluctancia. El núcleo no tiene pérdidas (ni por histéresis, ni por corrientes parásitas). En este tipo de transformador no hay pérdidas. →Transformador ideal en vacío: (no se conecta nada en el secundario). Se conecta en el primario una fuente de tensión alterna, lo cual genera un flujo magnético alterno que es variable en el tiempo. Este flujo da lugar a la formación de fuerzas electromotrices en ambos bobinados, ya que el flujo está en todo el circuito.  La fem que se genera en el secundario es la tensión que puedo medir en los bornes de salida del transformador. a= I2/I1 = N1/N2 = U1/U2 = e1/e2 →relación de transformación (a) Si a>1, la tensión de entrada es mayor que la tensión de salida, el tipo de transformador es reductor de tensión (aumenta la I) Si a=1, las dos tensiones son iguales , se utiliza para aislar el circuito eléctrico primario del secundario. Se usa para aislar tensiones en sistemas de protección o medición. Si a tensión de entrada, es un transformador elevador de tensión (disminuye la corriente) →Transformador ideal en carga: Si al transformador lo alimento con una tensión alterna desde el primario y coloco una carga en el secundario, entonces, tanto en el secundario como en el primario comienza a circular una corriente I1 e I2. Impedancia reflejada: es la impedancia observada. En el caso del transformador ideal en carga tengo impedancia en el 2do bobinado. Es la impedancia colocada en el secundario del transformador vista desde el lado primario. →TRANSFORMADOR CON BOBINADOS REALES Y NÚCLEO IDEAL: En este caso el núcleo no tiene pérdidas ni reluctancia. Los conductores del bobinado tienen una resistencia interna. Por otra parte, no todo el flujo se concatena en el material ferromagnético, hay dispersión ya que una pequeña parte se cierra a través del aire. En la bobina del primario, el flujo en la misma es la suma del flujo magnético común del núcleo, más el de dispersión. En el bobinado secundario, es la diferencia. U1>E1, y U2