MAQUINAS ELECTRICAS ELT 322

1. MÁQUINAS ELECTRICAS DE C.A.
1 S.E.P.-SISTEMA ELECTRICO DE POTENCIA
Un SEP está compuesto, en términos generales, por: 1º. Generación de Energía, 2º. Transmisión,
3º. Subestaciones, 4º. Distribución y 5º. Consumos.
2 DEFINICIONES DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS
Definición de Máquina: Aparato o conjunto de elementos que de manera sincronizada, y
simultáneamente son capaces de efectuar un trabajo o de llevar a cabo una función predefinida,
el funcionamiento puede se dirigida por un operador o de forma autónoma.
Una máquina eléctrica es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en otra energía (o
viceversa), o bien, en energía eléctrica pero con una presentación distinta, pasando esta energía
por una etapa de almacenamiento en un campo magnético. Se clasifican en tres grandes grupos:
generadores, motores y transformadores.
CURVA DE CARGA DEL SISTEMA INTERCONECTADO NACIONAL
0,0
100,0
200,0
300,0
400,0
500,0
600,0
700,0
800,0
900,0
1000,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Horas
MW
SISTEMA INTERCONECTADO
NACIONAL
AREA NORTE
AREA CENTRAL

2. 3 MÁQUINAS SINCRÓNICAS El GENERADOR ELÉCTRICO convierte la energía
mecánica por una máquina prima (turbina) a energía eléctrica en el lado de la salida. La mayoría
de estos dispositivos pueden funcionar, tanto como motor, como generador.
A) CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS
1) ESTATOR
GE
E mec E elec
Pérdidas
n
v(t)= Vmax senωt
i(t)= Imax senωt

3. 2) ROTOR
a) ROTOR LISO

4. b) ROTOR DE POLOS SALIENTES
B) PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

5. Ley de inducción de FEM
Si un conductor se mueve por, un campo
magnético de modo que corte las líneas
magnéticas de flujo, se inducirá, un voltaje
por el conductor. Si el conductor se mantiene
fijo y el campo magnético se mueve para que
sus líneas
corten el conductor, se producirá el mismo
efecto.
Cuando un conductor del devanado del estator es atravesado por un campo magnético giratorio,
se induce en este una FEM. la polarización de la FEM inducida depende de la dirección del
campo
Si mantenemos constante la longitud activa del conductor, si la velocidad relativa del conductor
respecto al campo magnético giratorio es constante. Entonces el voltaje inducido en el conductor
depende de la densidad de campo magnético.
El campo será máximo cuando un conductor este debajo de uno de los polos y mínimo cuando
un conductor este en la zona neutra del campo magnético.
la
v
( ) a a
e t l v B l v B
= ´ =
!
!
la la
N S
v
+
-
e
v
+
- e
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
a
a
e t l v t
e t l v B t
e t B t
B
= ´
=
µ
!
!

6. La forma de onda de la FEM inducida depende de la forma constructiva del polo del rotor. Se
utilizan polos redondeados porque de esta manera se obtiene una forma de onda mucho más
senoidal, que es la menos influenciada por los armónicos de tensión producidos.
Por cada revolución de un rotor con un par de polos, la FEM recorre 360º eléctricos.
Si un rotor de dos pares de polos gira una vuelta completa, la FEM recorrerá 2*360º.
Si tenemos tres bobinas en el devanado del estator, se inducirá una FEM en cada una de ellas
cuando sus conductores sean atravesados por las líneas de campo magnético giratorio. Dando
lugar a un sistema trifásico de tensiones, desfasadas 120º.
Si se tienen 12 conductores en el estator, la acción del campo magnético giratorio producirá una
FEM inducida en cada uno de los conductores, dando lugar a 12 vectores de FEM desfasados en
un ángulo igual a
ICC
b
d
v
N
S
a
c ZN
a b c d a
B(t)
x
Bmax
-Bmax
º º
g e
p
a a
=
1
E
•
2
E
!
3
E
!
1
E
•
2
E
!
3
E
!
E
ωt

7. Se definen αº electricos como el ángulo entre la FEM de 2 ranuras adyacentes.
Si es un rotor de 2 pares de polos
La FEM es diametralmente opuesta a , entre ambos vectores existen 180º electricos.
Físicamente mientras un lado activo de la bobina esta frente a un polo del rotor, el otro esta frente
al polo opuesto.
Para formar una fase en el estator de un generador sincrónico, se deben conectar correctamente
el grupo de bobinas que la componen. Esto se logra analizando el diagrama vectorial de las FEM,
360
º
p
e
z
a =
360 2
º 60º
e e
z
a
´
= =
E1=E7
E2=E8
E3=E9
E4=E10
E5=E11
E6=E12
e(t)
ω(t)
e4(t)=e5(t)
e3(t)=e9(t)
e2(t)=e8(t)
e1(t)=e7(t)
α
1
E
•
4
E
•
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
ICC
n
N
N
S
S
a
b
1 4 7 10
Eab E E E E
• • • • •
= - + -

8. +
-
E1
+
-
E2
+
-
E7
+
-
E4
a b
E1
-E4
E7
-E10
Eab
3 6 9 12
Ecd E E E E
• • • • •
= - + -
+
-
E3
+
-
E6
+
-
E9
+
-
E12
c d
E3
-E6
E9 -E12
Ecd
5 8 11 2
E ef E E E E
• • • • •
= - + -
+
-
E5
+
-
E8
+
-
E11
+
-
E2
e f
E5
-E8
E11
-E2
Eef

9. 3 MAQUINAS ASINCRONICAS En el caso de un MOTOR ELECTRICO, la entrada es la
energía eléctrica, suministrada por una fuente de poder y la salida es energía mecánica enviada a
la carga, la cual puede ser una bomba, ventilador, etc.
A) CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS
1. ESTATOR
2. ROTOR
a) ROTOR JAULA DE ARDILLA
ME
E elec
Pérdidas
v(t)= Vmax senωt
i(t)= Imax senωt
E mec
n

10. b) ROTOR BOBINADO

11. B) PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Teorema de Ferrari-Tesla
Si existen tres bobinas en el estator desfasadas 120º y son alimentadas por corrientes iguales
(módulo) desfasadas 120º en el tiempo, entonces producen un campo magnético giratorio B. La
velocidad de rotación de este campo magnético está dada por

12. 𝑛!"#$ =
%&'!
(
donde fe es la frecuencia de alimentación en Hertz.
Este campo magnético alcanza las barras del rotor e induce un voltaje en ellas, debido a esto
circulara por los conductores de longitud l del rotor una corriente i(t).
Entonces la fuerza producida en el rotor es
La velocidad del rotor tiene un límite finito. Si el rotor del motor llegara a girar a la velocidad
sincrónica del campo giratorio, sus barras estarían estacionarias respecto al campo magnético, y
entonces no se induciría voltaje.
Si e fuera igual a cero. No habría corriente en el rotor y por lo tanto no habría campo magnético,
sin este campo magnético el par producido seria cero y por la fricción, el rotor se frenaría.
Entonces un motor de inducción puede girar a velocidades cercanas a la sincrónica pero nunca
la alcanzara exactamente.
Deslizamiento del rotor
El voltaje inducido en una barra del rotor de inducción depende de la velocidad relativa del rotor
con respecto al campo magnético. Para definir esta velocidad se usan dos términos.
Uno de ellos es la velocidad de desplazamiento, que se define como la diferencia entre la
velocidad sincrónica y la del rotor:
Donde:
El otro término que se utiliza para describir el movimiento relativo es el deslizamiento,
Frecuencia eléctrica en el rotor
Si se bloquea el rotor del motor de tal manera que no se pueda mover, entonces su frecuencia
será igual a la del estator. En otro caso, si el rotor gira a la velocidad sincrónica, su frecuencia
será cero.
A nm=0, la frecuencia del rotor es fr=fe, y el deslizamiento es s=1. a nm=nsinc, la frecuencia del
rotor es fr=0, y el deslizamiento es s =0. para una velocidad intermedia entre estas dos
F il B
= ´
!
! !
desliz sinc m
n n n
= -
velocidad de deslizamiento de la máquina
velocidad del campo magnético
velocidad mecánica del eje del rotor
desliz
sinc
m
n
n
n
=
=
=
( )
100%
desliz
sinc
n
s
n
=
( )
100%
sinc m
sinc
n n
s
n
-
=

13. fr=s fe entonces
4. TRANSFORMADOR
Otro dispositivo estrechamente relacionado con los campos magnéticos es el transformador. Un
transformador es un dispositivo que convierte energía eléctrica de CA con un nivel de voltaje en
energía eléctrica con otro nivel de voltaje.
A) CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS
B) PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
( )
120
r sinc m
P
f n n
= -
EE2
EE1 TRANSF
v1(t)
i1(t)
v2(t)
i2(t)
1 1 2 2
v I v I
=

14. El transformador eléctrico tiene el propósito básico de transferir energía eléctrica de un
circuito a otro mediante conductores acoplados inductivamente, convirtiendo esa energía
eléctrica, que tiene un voltaje o una corriente determinados, en energía eléctrica con otro
voltaje o corriente. Estos mecanismos se basan en dos principios esenciales: el
electromagnetismo y la inducción electromagnética.
En otras palabras, es importante que las corrientes eléctricas puedan producir campos
magnéticos y que esos campos magnéticos puedan cambiar en una bobina de alambre e
inducir un voltaje (o tensión) en los extremos de esa bobina.
Estos principios restringen las aplicaciones del transformador a la corriente alterna solamente,
pero allí es precisamente donde radica su ventaja, ya que la corriente continua no puede
transformarse de manera sencilla o económica, lo que explica el amplio uso de la corriente
alterna, que sí puede transformarse fácilmente.
La simplicidad, fiabilidad y economía de la conversión de voltajes de los transformadores fue
el principal factor para seleccionar la transmisión de la energía por corriente alterna en la
“Guerra de las corrientes” a fines del siglo XIX. En los circuitos electrónicos, los nuevos
métodos de diseño de circuito han reemplazado algunas de las aplicaciones de los
transformadores, pero la tecnología electrónica también ha desarrollado nuevos diseños de
transformadores y aplicaciones.
Funcionamiento y partes de un transformador eléctrico
El principio básico de funcionamiento de un transformador es que una corriente variable en el
devanado primario crea un flujo magnético variable en el núcleo del transformador y, por lo
tanto, un flujo magnético variable en el devanado secundario. Este flujo magnético variable
induce una fuerza electromotriz variable (f.e.m.) o voltaje en el devanado secundario.
En consecuencia, un transformador simple se compone esencialmente de tres partes, como
vemos en la figura.
Transformador eléctrico simple

15. Devanado primario:
El devanado primario (o bobina primaria) está conectado a la fuente de energía y transporta la
corriente alterna desde la línea de suministro. Puede ser un devanado de bajo o alto voltaje,
dependiendo de la aplicación del transformador.
Núcleo de material magnético:
Es el circuito magnético en el que se enrollan los devanados y donde se produce el flujo
magnético alterno. Hasta no hace mucho, todos los núcleos de los transformadores se
componían de apilamientos de chapa de acero (o laminaciones) sujetadas firmemente entre sí.
A veces, las laminaciones se recubrían con un barniz delgado -o se insertaba una hoja de papel
aislante a intervalos regulares entre laminaciones- para reducir las pérdidas por corrientes
parásitas.
Un nuevo tipo de construcción del núcleo consiste en una tira continua de acero al silicio que se
enrolla apretadamente en una espiral alrededor de los devanados aislados y se sujeta
firmemente mediante soldadura por puntos en el extremo. Este tipo de construcción reduce el
costo de fabricación y la pérdida de potencia en el núcleo debido a las corrientes de Foucault.
Devanado secundario:
El devanado secundario (o bobina secundaria) es el que suministra energía a la carga y es
donde se genera la fuerza electromotriz (f.e.m.) por el cambio de magnetismo en el núcleo al
cual rodea. Puede ser un devanado de bajo o alto voltaje, dependiendo de la aplicación del
transformador.
A veces, el transformador puede tener sólo un devanado que servirá el doble propósito de
bobina primaria y secundaria.
Generalidades
Si bien la estructura básica de los transformadores eléctricos es esencialmente la misma en
todos los ámbitos, las especificaciones exactas son muy variadas. Los núcleos de los
transformadores vienen en una variedad de formas y materiales (sólidos, de aire, de acero,
toroidales, etc.) y pueden variar considerablemente de tamaño. El tamaño del transformador
afecta en gran medida el grado de eficiencia. La energía se disipa en los núcleos, devanados y
las estructuras circundantes, lo que hace que la eficiencia de un transformador nunca sea del
100%. En general, cuanto mayor es el transformador, mayor será su eficiencia. En el proceso
de transferencia de energía, los transformadores pequeños tienden a perder más potencia que
los más grandes.
Todos los transformadores deben incluir la circulación de un refrigerante para eliminar el calor
residual producido por las pérdidas. Los pequeños transformadores de hasta unos pocos
kilovatios de tamaño por lo general se enfrían adecuadamente por la circulación del aire. Los
transformadores más grandes de tipo “seco” pueden tener ventiladores de enfriamiento.
Algunos transformadores secos están confinados en tanques presurizados y son enfriados por
nitrógeno u otros gases.

16. El material conductor del transformador se debe proteger para garantizar que la corriente se
transporte alrededor del núcleo y no a través de un cortocircuito entre las vueltas del devanado.
En los transformadores de potencia, la diferencia de voltaje entre partes del devanado primario
y secundario puede ser bastante grande, por lo tanto entre las capas de los devanados se inserta
un aislamiento para evitar la formación de arco y el transformador también se puede ser
sumergir en aceite para proporcionar un aislamiento adicional.
Clasificación de los transformadores eléctricos
Existe una diversidad de maneras de clasificar los transformadores eléctricos. Una de esas
clasificaciones es según la relación entre el número de vueltas en los devanados. Estos
pueden ser:
• Devanado compuesto de muchas vueltas de alambre de cobre relativamente fino, lo
suficientemente aisladas para soportar el voltaje aplicado en el mismo. En este caso
decimos que se trata de un devanado de alto voltaje.
• Devanado compuesto de relativamente pocas vueltas de alambre de cobre pesado, capaz
de transportar una corriente considerable a un voltaje bajo. En este caso decimos que se
trata de un devanado de bajo voltaje.
Desde este punto de vista existen cuatro combinaciones posibles que dan origen a distintos
tipos de transformadores, es decir:
Transformadores reductores: están conectados de manera que el voltaje entregado es menor
que el suministrado, ya que el devanado secundario tiene menos vueltas que el primario, como
vemos en la figura de abajo.
Transformador reductor
Transformadores elevadores: están conectados de manera que el voltaje entregado es mayor
que el voltaje suministrado, ya que el devanado secundario tiene más vueltas que el primario.

17. Transformador elevador
Transformadores aislantes: los dos devanados tienen aproximadamente el mismo número de
vueltas, aunque a menudo hay una ligera diferencia a fin de compensar las pérdidas; de lo
contrario, en lugar de ser el mismo, el voltaje de salida sería un poco menor que el voltaje de
entrada. Están destinados a transformar de un voltaje al mismo voltaje.
Transformadores variables: el devanado primario y secundario tienen un número ajustable de
vueltas que se pueden seleccionar sin reconectar el transformador.