UNAMAD: CIRCUITOS Y MAQUINAS ELECTRICAS: 9. i@402 clase 11jul13

CONcEptoS generales de
maquinas ELECTRICAS
Ing° Saúl Montalván Apolaya
C.I.P. 72943
saulmontalvanapolaya@yahoo.es

a) Potencia
b) Tensión
c) Corriente
d) Factor de potencia
e) Frecuencia
f) Rendimiento
g) El campo magnético
4. Caracteristicas comunes de las maquinas
electricas.
Es necesario definir las características fundamentales de las maquinas eléctricas, y ellos
son:
a) Potencia.- En general es la potencia útil, que entrega o produce una máquina eléctrica
en sus terminales de salida. La potencia útil en los generadores y transformadores es la
“potencia eléctrica” lo que comúnmente llamamos potencia en los bornes, mientras que
en los motores es la potencia mecánica, llamado también potencia en el eje.
Potencia nominal.- La potencia nominal de una maquina eléctrica es la potencia útil
disponible que entrega o produce en régimen nominal, es decir, en las condiciones
especificas de diseño (temperatura ambiente, duración de funcionamiento, etc.) que les
ha sido asignados por el constructor y a los valores nominales de las RPM, tensión y
corriente, la frecuencia, factor de potencia y temperatura de trabajo ≤ 75°C.
Entendiéndose por duración de funcionamiento a si es continuo o intermitente.
12/07/2013 Circuitos y Máquinas Eléctricas 2

electricas.
La potencia que entrega la maquina cuando funciona en condiciones diferentes a las
nominales se les llama POTENCIA UTIL O DE TRABAJO, ya que en la práctica la maquina
eléctrica no siempre entrega su potencia nominal, sino que entrega lo que exige la carga;
de allí que si entrega su potencia nominal (o potencia máxima ideal de diseño) se dice
que trabaja a plena carga y cuando la carga es nula, se dice que trabaja en “vacio”.
Cualquiera sea su régimen de carga (exigencia), una maquina eléctrica en servicio esta
siempre sujeto a generar perdidas, que se traduce en generación de calor y por ende en
la elevación de temperatura de sus órganos. Luego, cuando la maquina entrega la
potencia nominal, ocurre en ellas perdidas mecánicas, pero, no se producirá sobre
elevación de temperatura que pueden dañar los arrollamientos, aislantes, etc. ni
aparecerán corrientes de excitación o magnetización elevadas.
Técnicamente es necesario mantener una temperatura admisible de trabajo ≤ 75°C,
sustrayendo calor generado por las perdidas mediante la acción de agentes refrigerantes
tales como: aire, gas, aceite aislante o camisas de agua circulante.
EN CONCLUSIÓN: “La potencia nominal de un TRANSFORMADOR es su potencia aparente
en los bornes del secundario; la potencia nominal de un GENERADOR es su potencia
aparente en sus bornes (salida); la potencia nominal del MOTOR es la potencia mecánica
disponible en el eje (salida). Las que figuran en las placas de las maquinas eléctricas son
siempre las potencias nominales”.

4. Caracteristicas comunes de las maquinas electricas.
Potencia eléctrica.- Es la potencia aparente que involucra a la potencia activa
(transformable a potencia mecánica) y la potencia reactiva (la que crea el campo
magnético).
Potencia aparente (S).- Es la potencia eléctrica total de una maquina eléctrica que
involucra tanto a la potencia activa como a la reactiva, sea maquina de corriente
continua (c.d.) o de corriente alterna (c.a.) monofásica(1). La potencia aparente es
el producto de la tensión por la corriente:
S = V.I
Con la unica diferencia de que en la maquina de corriente continua la potencia
aparente toma el nombre también de potencia activa, pues, no existe potencia
reactiva.
La potencia aparente de una maquina polifásica (varias fases) balanceada, es el
producto de la tensión de fase (Vf) por la corriente de fase (If) y por el factor de fase
“K”. Por ejemplo, en caso de un sistema trifásico (3) tenemos:
NOTA: Para el sistema monofásico (1): K = 1
3,3  K:dondeIKVS ff
ffIVS 33  

Conexión estrella:
If = ILínea
Conexión triangulo:
Vf = VLínea
1
V
V,IVS fLfy3  3
3
I
I,IVS L
ffL3  3
Siendo:
Las unidades de la Potencia Aparente son:
 Para corriente alterna son el voltio–amperio (VA), Kilo
voltio–amperio (KVA) y el Mega voltio–amperio (MVA).
 Para corriente continua son el Watts (W), el Kilo watts
(KW) y el Mega watts (MW)

Potencia activa (W).- Es la potencia eléctrica que realmente se transforma en el
accionamiento mecánico (Potencia mecánica) o viceversa.
En corriente alterna (c.a.), si las tensiones y corrientes son sinusoidales la potencia
activa de la maquina (sea 1 ó 3) es el producto de la potencia aparente por el
Factor de Potencia (Cos ), veamos:
 V.I.CosW 1
 V.I.CosW 33 
Siendo  el ángulo de fase entre V e I:
V
I
En corriente continua (c.d.) debido a que las corrientes y tensiones no varian, es lo
mismo decir, potencia activa o potencia aparente, puesto que  = 0° ⇒ Cos  = 1°
c.d.c.d.
1
c.d.c.d.c.d.c.d. IVCosIVWS 


c.d.c.d.c.d.c.d. IVWS 
Por su definición la Potencia Activa es equivalente a una potencia mecánica realmente
disponible y por lo tanto sus unidades son:
Watt (W), Kilo Watts (KW) o Mega Watts (MW)

En la práctica todavía se usa frecuentemente como unidades de Potencia mecánica el
caballo de fuerza (Horse Power), cuya equivalencia con el KW es:
(0,736),
75
F.V
W 
Donde:
W = potencia, KW
F = fuerza tangencial, Kg
V = velocidad periférica, m/s
Si: d = 2r = diámetro del eje de rotación o de la polea.
n = N° de revoluciones por minuto, tendremos:
(0,736)
(75)(60)
.2r.nF.
W
60
2r.n
V


Además: M = F.r = Torque, Kg–m :
(0,736),
(75)(60)
.2M.n.
W

 en KW ⇒ Potencia mecánica en función del torque (par) y las (RPM)
Así mismo, la Potencia Eléctrica como Potencia Activa, es:

(HP)(746)
V.I.W
η
Cosφ
,
)(V.I.
(HP)
746
Cosφ
 en (HP).
Donde:
(HP) = potencia mecánica, HP
ɳ = eficiencia de la maquina.
W = potencia activa, watts

Potencia Reactiva (Q).- Es la característica propia de las maquinas de corriente
alterna, sean estas monofásicas(1) o polifásicas (n).
La potencia reactiva para tensiones y corrientes sinusoidales es el producto de la
potencia aparente por el seno del ángulo de fase (Sen ) y en valor absoluto esta
dada por la formula: 22
activa)(Potenciaaparente)(PotenciaReactivaPotencia 
Las unidades son:
El Voltio–Amperio–Reactivo (VAR), Kilo–Voltio–Amperio–Reactivo (KVAR), Mega–
Voltio–Amperio–Reactivo (MVAR).
La trilogía vectorial (mediante teoría de fasores) cumple:
222
QWS 
)V.I(Q1  Sen
En uso practico son equivalentes expresar:
“Potencia Reactiva Capacitiva” o “Potencia Reactiva Suministrada”, y “Potencia
Reactiva Inductiva” o “Potencia Reactiva Absorvida”
Tengamos en cuenta que la Potencia Reactiva es una sóla, sino que por razones de
facilidades prácticas se le ha puesto el adjetivo de “CAPACITIVO” o “INDUCTIVO”.
22
WSQ 
)S(Q Senφ
)V.I(Q3  Sen3
W
Q
S

W
S Q


electricas.
b) Tensión (V).- Es la diferencia de potencial entre los bornes de salida electrica en
GENERADORES y TRANSFORMADORES, y bornes de entrada en los MOTORES. En
servicio normal la tensión es función de la carga, en algunos casos dependen de los
órganos reguladores adicionales.
Tensión nominal.- Es aquella para la cual la maquina ha sido diseñada (o
dimensionada), es la que figura en la “placa característica” y para la cual valen las
garantías del fabricante. Lo nominal se designa con el subíndice N que acompaña al
símbolo de la tensión; entonces la tensión nominal seria: VN o UN. Para esta tensión
nominal están previstas los aislantes, resistencias térmicas y magnéticas de las
partes constructivas, protección adjunta, etc.
Tensión de servicio.- Es el valor de la tensión en los bornes de la maquina cuando
esta en servicio, es decir, es la tensión que va a ceder si es GENERADOR, o recibir y
ceder si es TRANSFORMADOR, o recibir si es MOTOR, en el lugar donde se instalan.
La tensión de servicio máximo admisible es la tensión de servicio mas elevada que la
maquina puede soportar y generalmente llega a ser hasta un 15% superior a la
tensión nominal, si la maquina es instalada a alturas inferiores a los 1000 m.s.n.m.
N
m1000
servicio
máximo
servicio VVV 15,1


electricas.
Para alturas mayores a los 1000 m.s.n.m., a esta tensión de servicio máxima se
multiplica por el factor de corrección menor que la unidad: fc < 1,0 con lo cual
tendremos:
cN
m1000
servicio fVV 15,1

Los factores de corrección podemos deducir del siguiente gráfico:

electricas.
Por ejemplo si una maquina tiene una tensión nominal de 220 V, su tensión de
servicio en Lima ha de ser:
VsLIMA = 1,15 (220 V) = 253 V
Y para una altura de 2500 m, sería:
Vs2500 m = 1,15 (220 V) = 253 V
Tensión de Prueba.- Es una tensión mayor del doble de la tensión nominal que se
aplica constantemente a la maquina durante un minuto a la frecuencia nominal, mas
1000 V. Durante la prueba no debe producirse falla en los aislamientos de la
maquina. Asi mismo, para simular las sobretensiones de origen atmosférico, se
somete también a las grandes maquinas a una prueba con la tensión de choque de
unas 50 veces la tensión nominal y con una duración muy corta de unos 50 x 10–6
segundos.
c) Corriente Nominal.- Es la corriente máxima que puede recibir o entregar la maquina
(según el caso) en condiciones normales de funcionamiento. Las secciones de los
conductores, se diseñaran de tal forma que el paso de la corriente nominal no
genere en ellas sobrecalentamientos excesivos, así como en las protecciones y
aislantes instalados en ellas.

electricas.
En corriente alterna se define como función de potencia nominal y tensión nominal:









)(
)(




Cos
Cos
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
V3
W
V3
S
I:3esSi
V
W
V
S
I:1esSi SN = Potencia nominal
WN = Potencia Activa Nominal
Cos  = Factor de Potencia
En la práctica si la maquina se sobrecarga, la corriente sobrepasa de un 10 al 25%
de su valor nominal y eso esta permitido solo si el tiempo de sobrecarga es corta.
Además, se usa lo que llamamos corriente de arranque, la cual es una corriente que
aparece en el arranque de los motores y llega a valores altos (2IN a 5IN) cuya
duración debe ser bastante breve < 1 minuto para que no haga daño a los
arrollamientos.

electricas.
d) Factor de Potencia (Cos ).- Es la relación entre la potencia activa y la potencia
aparente, siempre que las tensiones y las corrientes sean sinusoidales.
Todas las maquinas eléctricas requieren para su funcionamiento de una corriente de
excitación, que sirve para crear el campo. Esta es una corriente puramente inductiva
y a ella le corresponde un consumo de energía puramente reactiva. Es decir, de la
energía total (o aparente) que recibe la maquina, una parte la usa para la creación
del campo (energia reactiva) y la otra parte restante es la energía útil transformable
en energía mecánica (energía activa).
“El factor de potencia nos indica la fracción de potencia total (S) que corresponde a
la potencia activa (W)”
S
W
AparentePotencia
ActivaPotencia
Cospotenciadefactor  
S
W
Cos 

electricas.
CONCLUSIÓN: Cuando el consumo de energía reactiva es absorbida de la red,
como en el caso de los TRANSFORMADORES o de las maquinas asíncronas, el factor
de potencia es siempre inferior a 1, en mayor o menor medida según el
correspondiente consumo de energía activa. Cuando la energía reactiva para crear el
campo es generada por la maquina misma y cubre exactamente sus necesidades
como en el caso de los Generadores síncronos, el factor de potencia es igual a 1 si la
energía generada cubre exactamente sus necesidades propias de la maquina; es
inferior en cualquier otro caso. Si la maquina, además de cubrir su propia necesidad
de energía reactiva genera un excedente que entrega a la red (como en el caso del
condensador) se dice que trabaja sobre excitada. Si por el contrario, la maquina no
cubre las necesidades propias y absorbe de la red parte de su consumo de energía
reactiva (como una bobina de reactancia) se dice que trabaja subexcitada.
Para las maquinas de corriente continua (frecuencia = 0), el factor de potencia es 1
y en consecuencia:
SS(1))S(W  cdcd Cos
V.ISW cd

electricas.
En contraste, para los TRANSFORMADORES y los MOTORES ASÍNCRONOS, el factor
de potencia es función de la carga que alimenta, o sea, de las exigencias reales; a
valores a plena carga corresponde factores de potencia altas y a valores en vacio
corresponde factores de potencia muy bajas.
Esta disminución no es debido a una disminución en el consumo de energía reactiva,
sino exclusivamente a la disminución de la energía activa.
El factor de potencia influye directamente sobre las perdidas, pues a menores
valores del factor de potencia crece las pérdidas, o sea, baja el rendimiento.
Tambien el factor de potencia influye en el proyecto, o sea, en el dimensionamiento.
e) Frecuencia.- Es el número de oscilaciones periódicas completas de la onda
fundamental durante un segundo. La frecuencia se expresa en periodos por segundo
o simplemente en ciclos. En las maquinas de corriente continua, la frecuencia es
igual a cero.
En los generadores de corriente alterna la frecuencia esta dada por:




60
.nP
f P = par de polos de la máquina.
n = revoluciones por minuto (RPM)

electricas.
f) Rendimiento (ɳ).- Es otra característica muy importante de las máquinas eléctricas y
es la relación entre la potencia suministrada y la potencia absorbida por la maquina.
1
2
W
W
absorbidaPotencia
dasuministraPotencia

MAQUINA
ELÉCTRICA
Potencia
absorbida
Potencia
suministrada
W1 W2
(1) (2)
Potencia suministrada (W2) = Potencia absorbida (W1) – Pérdidas (ΔW)
WWW 12 
11
1
1
2
W
W
W
WW
W
W 


 1
Se puede demostrar que el factor de potencia influye en el rendimiento de las máquinas
eléctricas. Cuanto mas bajo es el factor de potencia, mayor será la corriente para producir
una determinada potencia activa (W = V.I.Cos) y entonces serán mayores las pérdidas en
el cobre de los devanados de la maquina:
cte.V:queya.V.IcteW  ,Cos

electricas.
o sea para una potencia requerida W constante, si el Cos
disminuye() necesariamente la corriente I aumenta ().
g) El Campo Magnetico.- El campo magnético es el medio
fundamental con la que los MOTORES, GENERADORES y
TRANSFORMADORES convierten energía de una forma a otra, o
de un nivel de voltaje a otra. La forma de actuar de 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 50 Hz y 60 Hz usados en las maquinas eléctricas
son realmente bajas y en consecuencia se considera la
conversión casi estática, para todos los efectos de calculo.

electricas.
A partir de lo expuesto, la manera como el campo actúa en las diferentes
maquinas 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 PRODUCCIÓN DE CAMPO
MAGNETICO.
2. Si a través de una espira se pasa un campo magnético variable con el
tiempo, se introduce 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 magnetico, se produce una fuerza sobre dicho conductor;
esta es la base de la ACCIÓN MOTORA
4. Cuando un conductor en movimiento se encuentra inmerso dentro de
un campo magnetico, en dicho conductor se induce un voltaje. Esta es
la base de la ACCIÓN GENERADORA.

Formas constructivas de
los motores eléctricos
Ing° Saúl Montalván Apolaya
C.I.P. 72943
saulmontalvanapolaya@yahoo.es

MOTORES CON PATAS

MOTORES CON BRIDAS DE AGUJEROS
PASANTES

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