Análisis de Conexiones, Pérdidas y Conversión de Energía en Máquinas Eléctricas

Tipos de Conexiones en Generadores Eléctricos

Campos Marginales en el Entrierro

Campos marginales del entrehierro: En la vida real, es decir, en sistemas reales, las líneas de campo magnético bordean externamente al entrehierro. En caso de que el efecto marginal no sea excesivo, el concepto de circuito magnético seguirá siendo aplicable. El efecto de dichos campos marginales es el incremento del área efectiva de la sección transversal ag del entrehierro. Si tomamos en cuenta estos campos marginales, entonces debemos utilizar numerosos métodos empíricos, pero para la resolución de ejercicios despreciamos los efectos marginales de ahí que ag=ac.

Componentes Esenciales de un Sistema Electromagnético

1 sistema electromagnético de conversión tiene 3 partes esenciales:

• 1 sistema eléctrico.
• 1 sistema mecánico.
• 1 campo que los une.

Corriente de Excitación y Magnetización

Corriente de excitación: Para producir campo magnético en el núcleo se necesita corriente en el devanado de excitación, a esta corriente se le llama corriente de excitación. Esta corriente establece un flujo alterno en el circuito magnético, e induce una fem en el primario cuando el secundario está abierto.

Corriente de magnetización: (Im) La i total de excitación sufre pérdidas debido a la potencia absorbida por las pérdidas de histéresis y de corrientes parásitas en el núcleo o componentes de pérdidas en el núcleo que se encuentra en fase con la fuerza contraelectromotriz. Cuando esta corriente es restada de la corriente total de excitación, a lo que queda se le llama i de magnetización (Im) que está retrasada 90º con respecto a la fuerza contraelectromotriz.

Conexiones en Transformadores Trifásicos

Posibles Conexiones para Transformadores Trifásicos:

• Conexión estrella-estrella: Empleado cuando se desea disponer de neutros en baja y cuando no se prevén grandes corrientes de desequilibrio.
• Conexión estrella-triángulo: Adecuado para transformador reductor. No genera armónicos de tensión, se recomienda para términos secundarios relativamente bajos que motiva corrientes elevadas.
• Conexión triángulo-estrella: Empleado como transformadores elevadores.
• Conexión triángulo-triángulo: Tiene la ventaja de que se puede quitar un transformador para mantenimiento.

Pérdidas por Corrientes Parásitas

Pérdidas por corrientes parásitas (Ic): Como la corriente de excitación es utilizada para producir campo magnético en el núcleo y potencia asociada con la energía, parte de esta energía se disipa en forma de calor o pérdidas en el núcleo, es decir, por el calentamiento producido por i^2*r asociadas a las i parásitas. La i parásita aumenta con el cuadrado de la frecuencia de la variación de flujo y también con el cuadrado de la densidad máxima de flujo.

Pruebas en Transformadores

Pruebas de Cortocircuito y Circuito Abierto:

• Prueba de cortocircuito: Estando en cortocircuito el secundario, solo se necesita aplicar un voltaje en el primario del 2 al 12% del valor nominal para obtener la corriente de plena carga. Por conveniencia se utiliza el lado de alto voltaje como primario debido al bajo valor del flujo en el núcleo. La corriente de excitación y las pérdidas del núcleo son despreciables. La corriente en el primario y secundario son casi iguales cuando se refieren al mismo lado.
• Prueba de circuito abierto: Se lleva a cabo estando abierto el circuito del secundario, aplicando el voltaje nominal al primario. En general se toma el lado de bajo voltaje como primario para esta prueba.

Pérdidas por Histéresis

Pérdidas por histéresis: Son proporcionales al área de la curva de la histéresis y al volumen total del material. Al considerarse que existe pérdida de energía por ciclo, la pérdida de potencia por histéresis es proporcional a la frecuencia de excitación que se le aplica. Estas pérdidas dependen de las propiedades metalúrgicas del material así como de la densidad de flujo y la frecuencia.

Generadores de Corriente Continua

Funcionamiento de una Máquina CC como Generador

Máquina CC operando como generador: El generador de corriente continua, cuando por un campo magnético se desplaza un conductor se induce sobre él una tensión. Si a un motor CC le hacemos girar el rotor (ej), se estarán moviendo los arrollamientos de este dentro de un campo magnético (creado por los imanes del motor). Si este motor no está conectado para que funcione como tal, en sus terminales de alimentación aparecerá la tensión generada internamente. De esta manera un motor de CC se convierte en un generador de corriente continua. La tensión de salida se obtiene con ayuda de la ley de tensión de Kirchhoff: Vg=Vb(Ia-Ib) donde Vb=fuerza contraelectromotriz del motor (fem), Ia=corriente de excitación, Ra=resistencia del devanado.

Circuitos Equivalentes

Etapas en el Desarrollo de un Circuito Equivalente

Etapas en el desarrollo de un circuito equivalente: (de la figura)

1. Muestra un circuito equivalente para un devanado primario que incluye cada uno de estos voltajes. El flujo mutuo resultante vincula ambos devanados y se crea al combinar su fmm. La corriente primaria no solo deberá magnetizar el núcleo, sino también suministrar corriente a la carga conectada al devanado secundario. De acuerdo con esto es conveniente dividir la corriente principal en 2 componentes, 1 componente de excitación y otra de carga.
2. En el circuito equivalente, la corriente de excitación sinusoidal equivalente se mide por medio de una rama paralela conectada a través de e1 que comprende una resistencia de pérdidas en el núcleo rc en paralelo con una inductancia magnetizante xlm. Tanto rc como xm se determinan por v y f nominales. Se asume que permanecen constantes pequeñas diferencias técnicas. Se vincula un flujo en ambos devanados, la proporción de la fem inducida deberá igualar en proporción el número de vueltas en el devanado, por ejemplo e1/e2=n1/n2 tal como ocurre en un transformador ideal (fig c).
3. A partir del circuito equivalente es posible observar que el transformador será el equivalente a 1 ideal + sus impedancias externas. Para la figura tenemos xl2’=(n1/n2)^2xl2 y v2’=(n1/n2)v2 r2’=(n1/n2)`2r2. Al circuito de la fig d) se le denomina circuito equivalente T para un transformador. Los valores secundarios reflejados se indican con primas ‘ con el fin de distinguirlos de los valores reales.

Autotransformadores

Características y Funcionamiento de un Autotransformador

El autotransformador: Un autotransformador es una máquina eléctrica, de construcción y características similares a las de un transformador, pero que a diferencia de este, solo posee un único devanado alrededor del núcleo. Dicho devanado debe tener al menos tres puntos de conexión eléctrica, llamadas tomas. La fuente de tensión y la carga se conectan a dos de las tomas, mientras que una toma (la del extremo del devanado) es una conexión común a ambos circuitos (fuente y carga). En un autotransformador, la porción común del devanado único actúa como parte tanto del devanado primario como del secundario. La porción restante del devanado recibe el nombre de devanado serie y es la que proporciona la diferencia de voltaje entre ambos circuitos, mediante la adición en serie con el voltaje del devanado común.

Funcionamiento: Al igual que los transformadores funcionan basados en el principio de campos magnéticos variantes en el tiempo por los que tampoco pueden ser utilizados en circuitos CC. La transferencia de potencia entre dos circuitos conectados a un autotransformador ocurre a través de dos fenómenos: el acoplamiento magnético y la conexión galvánica entre los dos circuitos.

Tipos de construcción: Existen autotransformadores con varias tomas en el secundario y por lo tanto, con varias relaciones de transformación. De la misma manera que los transformadores, los autotransformadores también pueden equiparse con cambiadores de toma automáticos y utilizarlos en sistemas de transmisión y distribución para regular la tensión de la red eléctrica.

Aplicaciones: Los autotransformadores se utilizan a menudo en sistemas eléctricos de potencia, para interconectar circuitos que funcionan a voltajes diferentes pero en relación cercana. En la industria se utilizan para conectar maquinaria fabricada para tensiones nominales diferentes a la fuente de alimentación.

Ciclo de Refrigeración

Diagrama de Instalación de un Ciclo de Frigorífico

Diagrama de instalación de ciclo de frigorífico en régimen seco con doble compresión, describir equipos que la componen.

• Compresor: Compresión sobre Vss.
• Separador de aceite: Tiene como objetivo retener cualquier cantidad de aceite del compresor que pueda afectar el funcionamiento del condensador.
• Condensador: Local donde se realiza la transferencia de calor para la fuente caliente.
• Depósito: Recipiente destinado para que la válvula reductora de presión trabaje con líquido.
• Válvula reductora de presión: Local de expansión isoentálpica.
• Separador del líquido: Dispositivo que permite que al evaporador llegue líquido y al compresor Vss.
• Evaporador: Poder refrigerante de la máquina que da el cambio de calor.
• Filtro: Refiere las partículas sólidas arrastradas por el Vss que van al compresor.

Pérdidas en Máquinas Eléctricas

Clasificación de las Pérdidas

Las pérdidas se pueden clasificar dentro de las siguientes categorías:

1. Pérdidas en los cobres de los devanados (rotor y estator). Las pérdidas en el cobre de una máquina son las pérdidas por calentamiento debido a la resistencia de los conductores del rotor y el estator.
2. Pérdidas en el núcleo: Las pérdidas en el núcleo se deben a la histéresis y a las constantes parásitas. Con frecuencia a estas pérdidas se les conoce como pérdidas del vacío o pérdidas rotacionales de una máquina. En el vacío, toda la potencia que entra a la máquina se convierte en esas pérdidas.
3. Pérdidas por fricción: Se deben a la fricción de los rodamientos y con el aire.
4. Pérdidas Adicionales: Son aquellas pérdidas que no se pueden clasificar en ninguna de las categorías descritas. Por convención se asume que son iguales al 1% de la salida de la máquina.

La eficiencia de una máquina es la relación entre su potencia útil de salida y su potencia total de entrada.

Conversión de Energía

Diagrama de Bloques del Principio de Conversión de Energía

Diagrama de bloques del principio de conversión de energía