Conceptos básicos de Maquinas Eléctricas.

1. Onda senoidal

Onda senoidal representa el valor de la tensión de la Corriente alterna a través de un tiempo continuamente variable, en un par de ejes cartesianos marcados en amplitud y tiempo. Responde a la corriente de canalización generada en las grandes plantas eléctricas del mundo. También responden a la misma forma, todas las corrientes destinadas a generar los campos electromagnéticos de las ondas de radio.

Forma de onda senoidal

La manera más práctica de entender la generación de esta onda es utilizar el “círculo trigonométrico“, o sea, un círculo centrado en un par de ejes cartesianos, con un radio que gira a velocidad constante con sentido contrario a las agujas del reloj, partiendo de la posición horizontal derecha, de manera que el ángulo que forma con la horizontal, partiendo de 0º pasa a 90º cuando está vertical, sigue a 180º cuando llega a horizontal a la izquierda , sigue con 270º cuando está nuevamente vertical pero hacia abajo, y termina en 360º cuando llega a la posición inicial, o sea horizontal a la derecha.

2. Valor eficaz

En electricidad y electrónica, en corriente alterna, el valor cuadrático medio (en inglés root mean square, abreviado RMS), de una corriente variable es denominado valor eficaz. Se define como el valor de una corriente rigurosamente constante que al circular por una determinada resistencia óhmica pura produce los mismos efectos caloríficos que dicha corriente variable (corriente alterna). De esa forma una corriente eficaz es capaz de producir el mismo trabajo que su valor en corriente directa o continua. Como se podrá observar derivado de las ecuaciones siguientes, el valor eficaz es independiente de la frecuencia o periodo de la señal. El valor eficaz de la corriente alterna senoidal es aquel que equivale al de una corriente constante que en el mismo tiempo disipe la misma energía

Al ser la intensidad de esta corriente variable una función continua i(t) se puede calcular:

Donde T es el periodo

3. Armónico o armónica

Un armónico es el resultado de una serie de variaciones adecuadamente acomodadas en un rango o frecuencia de emisión, denominado paquete de información o fundamental. Dichos paquetes configuran un ciclo que, adecuadamente recibido, suministra a su receptor la información de cómo su sistema puede ofrecer un orden capaz de dotar al medio en el cual expresa sus propiedades de una armonía. El armónico, por lo tanto es dependiente de una variación u onda portadora.

Entre mayor frecuencia, mayor será la distorsión de la onda

4. Impedancia

La impedancia (Z) es la medida de oposición que presenta un circuito a una corriente cuando se aplica una tensión. La impedancia extiende el concepto de resistencia a los circuitos de corriente alterna (CA), y posee tanto magnitud como fase, a diferencia de la resistencia, que sólo tiene magnitud. Cuando un circuito es alimentado con corriente continua (CC), su impedancia es igual a la resistencia; esto último puede ser pensado como la impedancia con ángulo de fase cero.

Para averiguarla se utiliza la siguiente formula:

Donde Z es impedancia, V el voltaje, I intensidad

El concepto de impedancia tiene especial importancia si la corriente varía en el tiempo, en cuyo caso las magnitudes se describen con números complejos o funciones del análisis armónico. Su módulo (a veces inadecuadamente llamado impedancia) establece la relación entre los valores máximos o los valores eficaces de la tensión y de la corriente. La parte real de la impedancia es la resistencia y su parte imaginaria es la reactancia.

5. Reactancia capacitiva

Definición: La reactancia capacitiva (XC) es la propiedad que tiene un capacitor para reducir la corriente en un circuito de corriente alterna.

Al introducir un condensador eléctrico o capacitor en un circuito de corriente alterna, las placas se cargan y la corriente eléctrica disminuye a cero. Por lo tanto, el capacitor se comporta como una resistencia aparente. Pero en virtud de que está conectado a una fem alterna se observa que a medida que la frecuencia de la corriente aumenta, el efecto de resistencia del capacitor disminuye.

Como un capacitor se diferencia de una resistencia pura por su capacidad para almacenar cargas, el efecto que produce de reducir la corriente se le da el nombre de reactancia capacitiva (XC). El valor de ésta en un capacitor varía de manera inversamente proporcional a la frecuencia de la corriente alterna. Su expresión matemática es:

Donde

Xc = Reactancia capacitiva, en (Ω)Ohmios

π= constante 3,1416 radianes

f = Frecuencia en hertzs.

c= Capacitancia, en Faradios

6. Reactancia inductiva

Definición: la reactancia inductiva (XL) es la capacidad que tiene un inductor para reducir la corriente en un circuito de corriente alterna.

De acuerdo con la Ley de Lenz, la acción de un inductor es tal que se opone a cualquier cambio en la corriente. Como la corriente alterna cambia constantemente, un inductor se opone de igual manera a ello, por lo que reduce la corriente en un circuito de corriente alterna.

A medida que aumenta el valor de la inductancia, mayor es la reducción de la corriente. De igual manera, como las corrientes de alta frecuencia cambian más rápido que las de baja, mientras mayor sea la frecuencia mayor será el efecto de reducción. Donde la capacidad de un inductor para reducirla es directamente proporcional a la inductancia y a la frecuencia de la corriente alterna. Este efecto de la inductancia (reducir la corriente), se puede comparar en parte al que produce una resistencia. Sin embargo, como una resistencia real produce energía calorífica al circular una corriente eléctrica por ella, para diferenciarlas se le denomina reactancia inductiva al efecto provocado por la inductancia.

La reactancia de un bobina es inversamente proporcional a dos factores: la capacitancia y la frecuencia del voltaje aplicado. Su expresión matemática es:

Donde

XL = Reactancia capacitiva, en (Ω) Ohmios

π= constante 3,1416 radianes

f = Frecuencia en hertzs

c= Inductancia en henrys

7. Campo magnético

El magnetismo está muy relacionado con la electricidad. El Electromagnetismo es la parte de la Física que estudia la relación entre corrientes eléctricas y campos magnéticos. Una carga eléctrica crea a su alrededor un campo eléctrico. El movimiento de la carga eléctrica produce un campo magnético. Toda carga eléctrica que se mueve en el entorno de un campo magnético experimenta una fuerza. Dos cargas eléctricas móviles, no sólo están sometidas a las fuerzas electrostáticas que se ejercen mutuamente debidas a su carga, sino que además entre ellas actúan otras fuerzas electromagnéticas que dependen de los valores de las cargas y de las velocidades de éstas.

8. Densidad de campo magnético

La densidad de flujo magnético, visualmente notada como B, es el flujo magnético por unidad de área de una sección normal a la dirección del flujo, y es igual a la intensidad del campo magnético; La unidad de la densidad en el Sistema Internacional de Unidades es el Tesla. Donde B es la densidad del flujo magnético generado por una carga “q” que se mueve a una velocidad “v” a una distancia “r” de la carga, y “ur” es el vector unitario que une la carga con el punto donde se mide B (el punto r).

DEFINICIÓN:

La densidad del flujo magnético en una región de un campo magnético equivale al número de líneas de fuerza que atraviesan perpendicularmente a la unidad de área. Matemáticamente se expresa:

B = por lo tanto = BAAB = Densidad del flujo magnético = Flujo magnéticoA = área sobre la que actúa el flujo magnético.

9. Intensidad del campo magnético

Los campos magnéticos generados por las corrientes y que se calculan por la ley de Ampere o la ley de Biot-Savart, se caracterizan por el campo magnético B medido en Teslas. Pero cuando los campos generados pasan a través de materiales magnéticos que por sí mismo contribuyen con sus campos magnéticos internos, surgen ambigüedades sobre que parte del campo proviene de las corrientes externas, y que parte la proporciona el material en sí. Como prática común se ha definido otra cantidad de campo magnético, llamada usualmente "intensidad de campo magnético", designada por la letra H. Se define por la relación

H = B0/μ0 = B/μ0 – M

y tiene un valor que designa de forma inequívoca, la influencia que ejerce la corriente externa en la creación del campo magnético del material, independientemente de la respuesta magnética del material. La relación de B se puede escribir de forma equivalente

B = μ0(H + M)

H y M tendrán las mismas unidades, amperios/metro. Para distinguir aún mas B de H, a veces se le llama a B densidad de flujo magnético o inducción magnética. A la cantidad M en estas fórmulas, se le llama magnetización del material.Otro uso común para la relación entre B y H es

B = μmHdonde

μ = μm = Kmμ0

siendo μ0 la permeabilidad magnética del vacío y Km la permeabilidad relativa del material. Si el material no responde al campo magnético externo, no produciendo ninguna magnetización, entonces Km = 1. Otro cantidad magnética comúnmente usada es la susceptibilidad magnética, la cual especifica en cuanto difiere de 1, la permeabilidad relativa.

10. Flujo de campo magnético

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 =108 maxwells).

[Wb]=[V]·[s]1

X

Flujo magnético por una espira.

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:

, ………………………………………………………………………………………………………………………………………

En muchos casos el campo magnético no será normal a la superficie, sino que forma un

ángulo   con la normal, por lo que podemos generalizar un poco más tomando vectores:

Vectores normales a una superficie dada.

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:

Se denomina flujo magnético a la cantidad de líneas de fuerza que pasan por un circuito

magnético.

11. Permeabilidad

En física se denomina permeabilidad magnética a la capacidad de una sustancia o medio

para atraer y hacer pasar a través de ella campos magnéticos, la cual está dada por la

relación entre la inducción magnética existente y la intensidad que aparece en el interior de

dicho material.

La magnitud así definida, el grado de magnetización de un material en respuesta a un campo

magnético, se denomina permeabilidad absoluta y se suele representar por el símbolo μ:

donde B es la inducción magnética (también llamada densidad de flujo magnético) en el

material, y H es intensidad de campo magnético.

12. Fuerza de Lorenz

Cuando una carga eléctrica en movimiento, se desplaza en una zona donde existe un campo magnético, además de los efectos regidos por la ley de Coulomb, se ve sometida a la acción de una fuerza.Supongamos que una carga Q, que se desplaza a una velocidad v, en el interior de un campo magnético B. Este campo genera que aparezca una fuerza F, que actúa sobre la carga Q, de manera que podemos evaluar dicha fuerza por la expresión:

Como la fuerza es el resultado de un producto vectorial, será perpendicular a los factores, es decir, a la velocidad y al campo magnético. Al ser perpendicular a la velocidad de la carga, también lo es a su trayectoria, por lo cuál dicha fuerza no realiza trabajo sobre la carga, lo que supone que no hay cambio de energía cinética, o lo que es lo mismo, no cambia el módulo de la velocidad. La única acción que se origina, cuando la partícula entra en el campo magnético, es una variación de la dirección de la velocidad, manteniéndose constante el módulo.

13. Voltaje inducido

Como cada espira de la bobina de la armadura se mueve de una parte del campo a otra, eslabona un numero diferente de líneas de flujo, en este cambio en los eslabonamientos de flujo que induce un voltaje en el conductor, el voltaje mas grande se induce en el instante que este cambio es el mayor, esto es, el instante en el que el conductor corta el campo en ángulo recto.En la medida que el rotor gira a una velocidad constante, se induce una onda senoidal de voltaje, el valor de este voltaje depende de la velocidad del rotor, a mayor rapidez el voltaje es mayor.El valor del voltaje depende también de la intensidad del campo magnético, a mayor intensidad de campo, mayor voltaje inducido.

14. Dirección de campo magnético en un conductor

El valor o intensidad de dicho campo magnético puede medirse mediante el llamado vector de

inducción magnética B, a veces llamado simplemente "campo magnético", que estará

relacionado con la fuerza F y la velocidad v medida por dicho observador en el punto P: Si se

varía la dirección de v por P, sin cambiar su magnitud, se encuentra, en general, que la

magnitud de F varía, si bien se conserva perpendicular a v . A partir de la observación de una

pequeña carga eléctrica de prueba puede determinarse la dirección y módulo de dicho vector

del siguiente modo:

La dirección del "campo magnético" se define operacionalmente del siguiente modo. Para

una cierta dirección de v, la fuerza F se anula. Se define esta dirección como la de B.

Una vez encontrada esta dirección el módulo del "campo magnético" puede encontrarse

fácilmente ya que es posible orientar a v de tal manera que la carga de prueba se

desplace perpendicularmente aB. Se encuentra, entonces, que la F es máxima y se define

la magnitud de B determinando el valor de esa fuerza máxima:

15. Histéresis

El fenómeno de la histéresis magnética:

El es estudio de la histéresis tiene gran importancia en los materiales magnéticos ya que produce perdidas en los núcleos de los electroimanes cuando se someten a campos magnéticos alternos. El calor asi generado reduce el rendimiento de los dispositivos con circuitos magnéticos como transformadores, generadores, etc…

En general, la histéresis magnética es el fenómeno de inercia por el cual un material ofrece resistencia a un cambio, tiene una tendencia a conservar sus propiedades. Haciendo que el proceso de variación sea distinto en un sentido que en el contrario.

16. Corrientes de Foucault

es un fenómeno eléctrico descubierto por el físico francés Léon Foucault en 1851. Se produce cuando un conductor atraviesa un campo magnético variable, o viceversa. El movimiento relativo

causa una circulación de electrones, o corriente inducida dentro del conductor. Estas corrientes circulares de Foucault crean electroimanes con campos magnéticos que se oponen al efecto del campo magnético aplicado. Cuanto más fuerte sea el campo magnético aplicado, o mayor la conductividad del conductor, o mayor la velocidad relativa de movimiento, mayores serán las corrientes de Foucault y los campos opositores generados.

En los núcleos de bobinas y transformadores se generan tensiones inducidas debido a las variaciones de flujo magnético a que se someten aquellos núcleos. Estas tensiones inducidas son causa de que se produzcan corrientes parásitas en el núcleo (llamadas corrientes de Foucault), que no son óptimas para la buena eficiencia eléctrica de éste.

17. Fuerza

En física, la fuerza es una magnitud vectorial que mide la Intensidad del intercambio de momento lineal entre dos partículas o sistemas de partículas. Según una definición clásica,

fuerza es todo agente capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma de los materiales. 

La unidad de medida de fuerza es el newton que se representa con el símbolo: N , nombrada así en reconocimiento a Isaac Newton por su aportación a la física, especialmente a la mecánica clásica.

18. Momento de torsión

El movimiento de torsión es un giro o vuelta que tiende a producir rotación. Las aplicaciones se encuentran en muchas herramientas comunes en el hogar o la industria donde es necesario girar, apretar o aflojar dispositivos.

El movimiento de torsión se determina por 3 factores:

La magnitud de la fuerza aplicada. La dirección de la fuerza aplicada. La ubicación de la fuerza aplicada.

Unidades para el movimiento de torsión :

El movimiento de torsión es proporcional a la magnitud de F y a la distancia r desde el eje. Por tanto, una formula tentativa puede ser:

t= Fr

19. Trabajo mecánico

Cuando sobre un sistema mecánico se aplica una fuerza neta y esta produce desplazamiento, entonces se dice que esa fuerza efectúa un trabajo mecánico (w), el cual puede ser positivo si el sistema gana energía o negativo si el sistema pierde energía. 

En el S.I se mide en Joule y comúnmente se usa otra unidad llamada caloría, para referirse al trabajo mecánico.

 

1 Joule = 1 Newton · 1 metro = kg m²/s²

 

4,18 Joule = 1 Cal 

20. Potencia

Potencia es la capacidad de realizar trabajo. Esta dada por la ecuación:

P=W/t

Donde

P= potencia (W)

W= trabajo realizado (J)

t= tiempo en que se realiza el trabajo (s)

La unidad de potencia es el wats (W) A menudo se utiliza el kilowatt (kW), que es igual a

1000W. En ocasiones, el rendimiento o eficiencia de potencia de los motores se expresa en

unidades de caballo de fuerza (hp). Un caballo de fuerza es igual a 746 W. Corresponde al

rendimiento de potencia promedio de un caballo de tiro.

21. Potencia de un motor

La potencia es trabajo mecánico que incorpora en su valor el parámetro tiempo. Es decir, la potencia se expresa con un número que cuantifica el trabajo efectuado durante un lapso de tiempo. Mientras más rápido se realiza el trabajo la potencia que se desarrolla es mayor.

La medida original de potencia se expresa en caballos de fuerza o PS (Pferdestärke), y proviene del sistema métrico alemán. El valor de 1 PS equivale a levantar 75 kilógramos a 1 metro de altura en 1 segundo, (75 kg x metro/segundo). Su equivalencia en el sistema de medida inglés es el HP (Horsepower). El valor de un PS se diferencia levemente del HP: 1 PS = 0.9858 HP.1 HP es igual a levantar 550 libras a 1 pie de altura en 1 segundo. La capacidad de ejercer torque y potencia en un motor es limitada. Depende de la fuerza de expansión que logran los gases en el cilindro. El torque máximo se consigue cuando el rendimiento volumétrico (% de llenado de los cilindros) es máximo.

 La potencia en términos generales, expresa la capacidad para ejecutar un trabajo en el menor tiempo posible. Una fuente de energía que puede mover 1 kg de peso por una distancia de 1 metro en un sólo segundo es más 'potente' que otra capaz de desplazar el mismo peso en 2 segundos.

22. Transformación de energía en una maquina

La energía puede existir en una de las siguientes formas:

Energía mecánica (la energía potencial acumulada en un resorte o la energía cinética de un auto en movimiento)

Energía térmica (el calor liberado por una estufa, por fricción o por el sol) Energía química (la energía contenida en la dinamita, en el carbón o en una

batería de almacenamiento eléctrico) Energía eléctrica (la energía producida por un generador o por iluminación) Energía atómica (la energía liberada cuando el núcleo de un átomo es

modificado)

Aunque la energía no se puede crear ni se puede destruir, puede convertirse de una forma a otra por medio de los dispositivos o maquinas apropiadas. Por ejemplo, la energía química contenida en el carbón se puede transformar en energía térmica quemando el carbón en un horno.

Desafortunadamente, siempre que se transforma energía el rendimiento siempre es menor que la energía alimentada porque todas las maquinas sufren pérdidas. Estas pérdidas aparecen en forma de calor, el cual eleva la temperatura de la máquina. Por lo tanto, una parte de energía eléctrica suministrada a un motor se dispara como calor en los devanados. Además una parte de su energía mecánica también se pierde, debido a la fricción de rodamiento y la turbulencia de aire creada por el ventilador de enfriamiento. Las pérdidas mecánicas también se transforman en calor. Por consiguiente, el rendimiento de potencia mecánica útil de un motor es menor que la energía eléctrica alimentada.

23. Eficiencia de las maquinas

La eficiencia de una maquina está dada por la ecuación:

La eficiencia es particularmente baja cuando la energía térmica se convierte en enegia mecánica. Por lo tanto, la eficiencia de las turbinas de vapor va de 25 a 40 por ciento, mientras que la de los motores de combustión interna (motores automotrices, motores diesel) oscila entre 15 y 30 por ciento. Para entender que tan bajas son estas eficiencias, debemos recordar que una maquina que tiene una eficiencia de 20% pierde, en forma de calor, 80 por ciento de la energía que recibe.

Los motores eléctricos transforman la energía eléctrica en mecánica con mucha mas eficiencia. Su eficiencia oscila entre 75 y 98%, según el tamaño del motor.

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