Máquinas Eléctricas

"Una máquina eléctrica es un dispositivo que puede convertir energía mecánica en energía eléctrica o energía eléctrica en energía mecánica. Cuando este dispositivo se utiliza para convertir energía mecánica en energía eléctrica se denomina generador, y cuando convierte energía eléctrica en energía mecánica se llama motor." (Chapman, 2012)

En la actualidad no existe máquina o proceso industrial netamente manual, todo la infraestructura y maquinaria que usan las empresas es mecánico o robotizado. Una máquina eléctrica funciona con los principios de la electricidad y el magnetismo ya que con estos puede transformar la energía eléctrica en energía mecánica y viceversa.

La información correspondiente la encontrarás en el enlace.

Principios del electromagnetismo

El magnetismo es una fuerza invisible muy compleja que tiene la propiedad de atraer materiales entre sí sin necesidad de aplicar una fuerza externa visible (mover con la mano por ejemplo). En la naturaleza existen materiales que son imanes permanentes, es decir no necesitan de una fuente de energía externa para producir su campo magnético.

En cambio un electroimán es un dispositivo que genera un campo eléctrico cuando por su estructura circula una corriente eléctrica, las ventajas de este dispositivo son muy claras con respecto al imán natural, ya que se puede controlar completamente el campo magnético generado en intensidad y tiempo de actividad.

El electroimán está compuesto por dos piezas:

- Un núcleo metálico ferromagnético cuya característica es moldear de una mejor manera al campo magnético, es decir que no salga disparado en muchas direcciones sino que quede concentrado en la dirección que deseamos

- El alambre conductor, generalmente de cobre, por el cual circula la corriente eléctrica. El enrollado de alambre en una especie de bobinado es lo que da la propiedad de electroimán al dispositivo por ello el número de vueltas y grosor del alambre son parámetros de cálculo para el campo magnético

Campo magnético

Es el espacio físico que rodea a la carga y donde se siente la fuerza magnética, matemáticamente es una vector espacial pero bajo ciertas condiciones eléctricas puede volverse constante y por ende un escalar.

•  Los campos magnéticos no son infinitos, tienen una saturación y después de cierta cantidad de corriente el campo se vuelve constante
• El campo entregado por la tierra está en el orden de micro teslas y en mega laboratorios se llega hasta 10 Teslas

Las líneas de fuerza son las que representan el campo magnético, son más fuertes y abundantes cuando están más cerca del imán.

• Forman lazos cerrados: las líneas de fuerza circula interna y externamente

1. Internamente: de sur a norte
2. Externamente: de norte a sur

• No se interceptan, en la naturaleza no pueden ocupar un mismo espacio
• Cuando se acercan existe un efecto de repulsión
• Las líneas buscan campos de baja reluctancia (símil a la resistencia eléctrica), los materiales magnéticamente buenos tienen bajan reluctancia.

Permeabilidad del material

La permeabilidad es una propiedad magnética del material que es símil a la conductividad eléctrica, es decir que mientras más permeable mejor puede formar, mantener y conducir un campo magnético

Flujo magnético

Básicamente es la cantidad de líneas de fuerzas que existen en el campo magnético y viene dado por la integral

Y como se menciono bajo ciertas circunstancias el campo magnético puede ser constante entonces puede salir de la integral y nos quedaría una integral de línea del área del alambre lo que da un área normal y quedaría de la forma

Auto inductancia

Cuando se enciende el paso de la corriente eléctrica se genera un fenómeno conocido como auto inductancia, que hace que parte del campo magnético se quede circulando en la bobina y por ende exista una pérdida de potencia.

Ahora bien esta auto inductancia puede aprovecharse de cierta manera con lo cual nacen los transformadores.

Ya que cuando se conecta otra bobina al mismo núcleo el campo magnético va hacia ella produciendo voltaje inducido y también corriente eléctrica inducida, es decir un circuito eléctrico diferente

• Hay 3 flujos magnéticos: el propio (1). El inducido(2) y el de perdida (3)
• Cuando existe un conductor magnético dentro de las bobinas entonces (3) no existe y el campo (2) se incrementa
• El efecto mutuo se da cuando el flujo (1) crea el voltaje inducido. Es decir e voltaje inducido también produce el efecto de auto inductancia y hace que se dirija a la primera bobina
• El voltaje inducido hace lo mismo en la bobina 1. Cuando el número de vueltas de las bobinas son iguales se crea voltajes inducidos iguales

Debido a la pandemia del Covid-19 las prácticas se dieron de manera virtual en el simulador de LVSIM - LABVOLT

1. Introducción 

El simulador LVSIM-LABVOLT es un poderoso simulador de circuitos eléctricos, y en este caso nos vamos a enfocar en las máquinas eléctricas como son transformadores, autotransformadores, motores y generadores.

Como introducción vamos a conocer las conexiones eléctricas más comunes entre fuentes y cargas que son las conexiones estrella y delta, las cuales poseen características que dependiendo el caso y tipo de máquina pueden beneficiar bastante al trabajo que se requiere hacer.

Lo interesante de este simulador es que es fiel al modelo físico que la empresa desarrolladora tiene en sus instalaciones y por ende las simulaciones son bastante precisas en la mayoría de casos.

 2. Transformador al vacío

“Si se colocan dos bobinas eléctricamente aisladas en forma tal que el flujo variable en el tiempo

producido por una de ellas ocasione una fuerza electromotriz (fem) que se inducirá en la otra,

se dice que constituyen un transformador” (Guru & Hızıroğlu, 2003)

Un transformador eléctrico es una maquina eléctrica indispensable para la distribución de la

corriente eléctrica, funciona con el principio de inducción eléctrica y las variables de control para su circuito son: dimensiones y diseño, bobinado, recubrimiento, amperaje, voltaje, y material del núcleo.

Las partes más importantes de un transformador son: bobinas, núcleo magnético, parte activa, medio bushing, sistema de refrigeración y el aislamiento.

Se dice que el transformador está al vació cuando a la bobina secundaria no se coloca ninguna carga de ningún tipo originando así un circuito abierto. Lo que en la práctica no tendría mucho sentido.

El transformador ideal

Las máquinas ideales se diseñan basadas en que en todos sus componentes no van a existir pérdidas de energía por ningún motivo. En la realidad no existe un transformador que se 100% eficiente pero si existen algunos con una gran eficiencia que superan el 95% los cuales son usados como máquinas patrones que sirven para regular y calibrar el resto de transformadores.

Las características que se consideran para un transformador ideal son

- Las bobinas son eléctricamente ideales, es decir no tienen resistencia en las bobinas

- No existe flujo de auto inductancia, todo el flujo circula por el material magnético 

- No existe reluctancia, el material magnético es perfecto, y solo transmite flujo. Cero reluctancia e infinita permeabilidad

• Primario es donde está la fuente

• Secundario es donde se va la carga

• Las fuentes solo trabajan en AC

 3. Transformador monofásico 

Los transformadores monofásicos como su nombre lo indica son los que tienen una sola fase en su sistema eléctrico, es decir en este caso solo tendríamos 2 bobinas y un núcleo, se usan generalmente en sistemas eléctricos que no requieran manejar demasiada potencia o que son independientes del sistema de distribución eléctrica.

Los transformadores pueden conectarse de 3 formas, 2 de ellas son las más usadas.

• Transformador elevador: El voltaje en el devanado secundario es mayor que el voltaje en el devanado primario.
• Transformador reductor: El voltaje en el devanado primario es mayor que el voltaje en el devanado secundario.
• Transformador uno a uno: El voltaje en el devanado primario es igual al voltaje del devanado secundario.

Estas máquinas eléctricas son de alta eficiencia ya que cuando están construidos con buenos materiales y calibrado correctamente pueden llegar hasta el 95% de eficiencia. Además tienen un segundo parámetro que nos indica si el transformador está en excelente estado denominado regulación de voltaje y este valor debe ser lo más pequeño posible.

“La regulación de voltaje a plena carga es una cantidad que compara el voltaje de salida de un

transformador sin carga (en vacío) con el voltaje de salida a plena carga.” (Chapman, 2012)

4. Autotransformador con carga

Fuente: (Alexander & Sadiku, 2013)

Los autotransformadores son una conexión eléctrica variante de los transformadores, como se dijo antes los transformadores están aislados eléctricamente, en cambio los autotransformadores tienen un conexión eléctrica entre sus bobinados.

El autotransformador es empleado por algunas razones:

• Cuando se trabaja con pequeñas variaciones de voltaje
• El costo se reduce por la razón anterior ya que resulta muy caro construir dos devanados para casi el mismo voltaje y por ende se usa un autotransformador
• Por el dimensionamiento ya que son más pequeños.
• La conexión eléctrica asegura que una parte de la energía del bobinado primario se transfiera por conducción, si le agregamos la energía inducida entonces el bobinado secundario tendrá más potencia y por ende el sistema será más eficiente que un transformador normal con los mismos bobinados.

El autotransformador tiene 4 combinaciones posibles, 2 elevadores y 2 reductoras y por supuesto cada una de ellas tiene su característica y su uso dependerá de cada trabajo.

5. Transformadores trifásicos sin carga

El transformador trifásico es básicamente 3 transformadores monofásico conectados para satisfacer la demanda de transmisión de potencia trifásica se necesitan conexiones de transformador que sean compatibles con las operaciones trifásicas.

Es más barato construir un transformador trifásico de inicio que 3 transformadores monofásicos y colocarlos en un banco de transformadores, ya que físicamente pueden compartir un núcleo y la manufactura se reduciría drásticamente.

Las conexiones de los transformadores trifásicos pueden ser estrella-estrella, estrella-delta, delta-estrella y delta-delta. Para evitar problemas futuros en el uso del transformador trifásico se diseña a los bobinados primarios con el mismo número de vueltas, de igual forma a los bobinados secundarios, para asegurar que el circuito esté balanceado

6. Transformadores trifásicos con carga

Trabajar con cargas balanceadas o desbalanceadas dependerá de cada trabajo a realizar, pero generalmente se trata de balancear lo más posible las cargas ya que así el sistema estará equilibrado y por ende la distribución de potencia será uniforme.

El balance de cargas tiene como ventajas:

• Usar un mismo alambre para las conexiones de los bobinados, ahorrando así el costo de comprar un alambre más grueso para una carga desbalanceada.
• Seguridad en la instalación eléctrica
• En cas de fallo de las cargas o un transformador, el reemplazo del mismo será sencillo y fácil de recalibrar

7. Motor de inducción trifásica

Un motor de inducción trifásica es una máquina eléctrica que transforma la energía eléctrica en energía mecánica. Funciona con el mismo principio de inducción eléctrica y magnética que un transformador.

"Un motor de inducción es aquel en el cual el rotor no recibe energía directa por conducción

sino por inducción. Ya que la energía recibida es por inducción, su comportamiento se

asemeja al de un transformador con un bobinado secundario giratorio". (Guru, 2002)

Cada vez más el motor de inducción va reemplazando a un motor de combustión interna ya que estos tiene mejores características, producen un mejor y mayor torque, su eficiencia es alta, el mantenimiento es relativamente menor (depende del tipo de motor de inducción)  y su velocidad angular puede ser controlada de mejor manera

8. Generadores síncronos trifásicos

Funcionan con el mismo principio que los motores solo que en el flujo de energía va en dirección contraria. Los generadores más conocidos son los de las hidroeléctricas, ya que aprovechan la energía potencial de la caída de agua para mover una turbina lo que hace que se produzca la energía eléctrica.

Los generados síncronos son generadores de corriente alterna también llamado alternadores, en la cual solo operan a una sola velocidad que es la velocidad síncrona. Su funcionamiento está dado por dos partes: estator y rotor, la energía que impulsa el rotor de la fuente ahora es mecánica y la carga que alimenta el estator es eléctrica, a diferencia de los motores donde era al revés.

Giran a una velocidad constante, determinada por la siguiente ecuación:

𝑉𝑒𝑙. 𝑆𝑖𝑛𝑐𝑟𝑜𝑛í𝑎 =  120 ∗ 𝑓/𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑙𝑜𝑠