1. MÁQUINAS ELÉCTRICAS III
ELECTROTÉCNIA
Luis Miguel GARCÍA GARCÍA-ROLDÁN
Departamento de Tecnología
IES Cap de Llevant – MAÓ

2. MÁQUINAS ELÉCTRICAS
 Análisis de las aplicaciones de electromagnetismo
en nuestro entorno y en la generación,
transformación y utilización de la energía eléctrica.
 Transformadores. Funcionamiento. Constitución.
Pérdidas. Rendimiento. Tipos y aplicaciones.
 Máquinas de corriente continua. Funcionamiento.
Tipos. Conexiones.
 Máquinas de corriente alterna. Funcionamiento.
Tipos. Conexiones.
2

3. MÁQUINAS ELÉCTRICAS
Máquinas eléctricas III

4. MÁQUINAS ELÉCTRICAS
4

5. 5
CLASIFICACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS (I)
Generan energía eléctrica a partir de energía
mecánica
Transforman la corriente eléctrica variando alguna
de sus características (I, V)
GENERADORES
TRANSFORMADOR
ES
MOTORES Aprovechan la energía eléctrica para transformarla
en energía mecánica
MÁQUINA ELÉCTRICA

6. 6
CLASIFICACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS (II)
Generadores Motores Transformadores
MÁQUINAS
ELÉCTRICA
S
 DE CORRIENTE CONTINUA
 DE CORRIENTE ALTERNA:
monofásicos o trifásicos.
 UNIVERSALES
 DINAMOS: generan
corriente continua
 ALTERNADORES:
generan corriente
alterna
 MONOFÁSIC
OS
 TRIFÁSICOS

7. CLASIFICACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS (III)
7
MÁQUINAS ELÉCTRICAS
DE CORRIENTE
CONTINUA
DE CORRIENTE ALTERNA
SÍNCRONAS
ASÍNCRONA
S O DE
INDUCCIÓN
 Un convertidor es una máquina que transforma la corriente alterna en
corriente continua
 Un inversor es una máquina que transforma la corriente continua en
corriente alterna

8. CLASIFICACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS (IV)
8
MÁQUINAS
ELÉCTRICAS
ROTATIVAS
MOTORES
GENERADORES
ESTÁTICAS
TRANSFORMADORES
CONVERTIDORES
INVERSORES

9. 9
RÉGIMEN DE FUNCIONAMIENTO DE LAS
MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS
Cuando no está conectado a un circuito exterior
Trabaja en las condiciones para las que ha sido
diseñado. No hay peligro de calentamientos o
roturas
EN VACÍO
RÉGIMEN NOMINAL
PLENA CARGA Cuando trabaja exactamente a su valor nominal
MÁQUINA ELÉCTRICA
ROTATIVA
SOBRECARGA Cuando trabaja a una potencia mayor a la nominal

10. PÉRDIDAS EN LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS
ROTATIVAS
De fricción o ventilación, debidas al rozamiento de
las diferentes piezas móviles y la circulación de
aire para refrigeración
Pérdidas en el cobre debido a efecto Joule
MECÁNICAS
ELÉCTRICAS
MAGNÉTICAS
Pérdidas en el hierro debidas a las variaciones en
los campos magnéticos y a la frecuencia con la
que lo hacen
PÉRDIDAS DE UNA
MÁQUINA ELÉCTRICA
ROTATIVA
10

11. RENDIMIENTO EN LAS MÁQUINAS
ELÉCTRICAS ROTATIVAS
11
 El rendimiento de una máquina es la relación que hay entre
la energía total que consume y el trabajo que produce
alim
perd
alim
alim
salida
P
P
P
P
P
η




12. GENERADORES ELÉCTRICOS
Máquinas eléctricas III

13. GENERADORES (I)
 El GENERADOR ELÉCTRICO es el elemento que transforma energía
química, mecánica, etc en energía eléctrica (pilas, baterías,
dinamos,…) manteniendo la diferencia de potencial.
13

14. GENERADORES (II)
 Cuanto mayor sea la diferencia de potencial y menor sea la
resistencia que ofrece el circuito, mayor será la corriente que circula
por sus conductores; como podemos deducir de la LEY DE OHM.
14

15. GENERADORES (III)
 La FUERZA ELECTROMOTRIZ (FEM) de un generador es el trabajo
realizado por éste sobre la unidad de carga que lo atraviesa. Este
trabajo es responsable de la tensión o diferencia de potencial que
aparece entre sus extremos.
15
]
(V)
[voltios
Q
W
(FEM)
ε 
 De hecho, la FEM es responsable del movimiento de cargas en el
interior del generador, mientras que la diferencia de potencial es
responsable del movimiento de cargas en el circuito.
 Sus valores no coinciden debido a las pérdidas en el generador

16. GENERADORES (IV)
Existen diversas formas de generar la FEM:
16
Reacciones químicas: en pilas y baterías se produce una
reacción química entre el electrolito y sus electros (Cu y
Zn) sumergidos en una disolución, de forma que los
electrones se desplazan desde el electrodo de Cu al
electrodo de Zn
Inducción electromagnética: al mover un conductor en el
interior de un campo magnético se genera una FEM entre
sus extremos y corriente sobre él (Ley de Faraday)
Efecto piezoeléctrico: algunas sustancias como el cuarzo o
la turmalina, proporcionan una diferencia de potencial entre
sus extremos al ser sometidas a una presión o esfuerzo
mecánico.

17. GENERADORES (V)
Existen diversas formas de generar la FEM:
17
Acción de la luz: una radiación luminosa sobre algunos
elementos semiconductores arranca electrones de sus
últimas capas creando entre sus extremos una diferencia
de potencial
Efecto de un par termoeléctrico: calentando la unión entre
dos elementos como el constatán y el cobre provocamos
que aparezca una diferencia de potencial entre sus
extremos (termopar)
Frotación: es el modo de funcionamiento de generadores
de Van der Graff y generan tensiones de millones de voltios

18. GENERADORES DE CORRIENTE
CONTINUA
Máquinas eléctricas III

19. 19
TIPOS DE GENERADORES DE CC
PILAS
BATERÍA
S
DINAMOS
FUENTES DE
ALIMENTACIÓ
N
ACUMULADOR
ES

20. GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA
20

21. 21
INDUCIÓN ELECTROMAGNÉTICA
 Michael FARADAY y Joseph HENRY
demostraron independientemente y casi al
mismo tiempo en 1831 la existencia de
corrientes eléctricas inducidas como
consecuencia de la variación de un campo
magnético.
 Al mover el imán se produce una
variación del campo magnético en el
interior del solenoide que genera una
corriente en éste. Si el imán está
parado no habrá corriente, y la
dirección de ésta dependerá de la
polaridad del imán.

22. 22
LEY DE FARADAY
 La corriente que aparece se
denomina corriente inducida y es
producida por una fuerza
electromotriz inducida.
 La fuerza electromotriz inducida es igual y de signo opuesto a la rapidez
con la que varía el flujo magnético que atraviesa el circuito.
Δt
ΔΦ
ε 
 V
C
J
s
Nm/A
s
Wb




23. 23
FEM INDUCIDA
 Por tanto, la fem inducida que genera las corrientes inducidas se
produce al variar el flujo magnético que recorre el circuito; y eso se
puede hacer de dos maneras:
 Variando el campo magnético (espacial o temporalmente)
 Variando la disposición del circuito (que el circuito corte más o menos
líneas)
Se obtiene energía eléctrica como consecuencia del movimiento del imán
con respecto a la bobina o de la bobina con respecto al imán

24. 24
FEM INDUCIDA EN UNA ESPIRA POR UN
MOVIMIENTO DE ROTACIÓN
 En el caso de una espira con un movimiento de rotación con una
velocidad cte ω en el interior de un campo magnético uniforme B,
podemos aplicar la ley de Faraday sabiendo que la variación de flujo será
debida a la variación de la superficie de la espira que el campo atraviesa.
a
S L
 t
cos
SB
cos
SB
Φ 
 

t
sen
ωSB
Δt
ΔΦ



t
sen
ωSB
ε 

t

  derivando la expresión anterior para calcular
la variación del flujo en el tiempo,
De donde la FEM inducida será
FEM EN UNA ESPIRA QUE
GIRA

25. 25
FEM INDUCIDA EN UNA BOBINA POR UN
MOVIMIENTO DE ROTACIÓN (I)
 Cuando tenemos una
bobina con N espiras:
t
sen
B
N
ε 
S

 Cuando la bobina es
perpendicular a las
líneas de campo, B y
S son paralelos y ε es
nulo.
 Cuando la bobina es
paralela a las líneas
de campo, B y S
forman 90º y ε es
máximo.
B
N
εmax S


t
sen
ε max 



26. 26
 Una bobina circular de 100 espiras y 2cm de radio gira con
una velocidad uniforme de 10rps con respecto a su eje,
perpendicular a las líneas de fuerza de un campo magnético
de 0.5T. Halla el valor de la FEM inducida en la bobina.
FEM INDUCIDA EN UNA BOBINA POR UN
MOVIMIENTO DE ROTACIÓN (II)
___EJERCICIO___
3.95V
5
.
0
·
m
10
256
.
1
·
83
.
62
·
espiras
100
SB
N 2
3
-
max 

 T
x
s
rad


  2
3
-
2
2
-
2
m
1.256x10
2x10
S 

 m
r 

s
rad
6.83
1
2
·
10 

rev
rad
s
rev 


27. 27
FEM INDUCIDA EN UNA BOBINA POR UN
MOVIMIENTO DE ROTACIÓN (III)
 Generador de CA o
alternador
 Generador de CC o
Dinamo
SIMULACIÓ
N
GENERADOR DE
CORRIENTE

28. 28
GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA:
DINAMOS
 Gracias al colector cortado la
corriente siempre circula en el mismo
sentido. A esta operación de
transformación de la señal alterna en
continua se le denomina
conmutación o rectificación
 Para evitar tantas fluctuaciones se
aumenta el número de espiras

29. 29
FUERZA ELECTROMOTRIZ GENERADA (I)
 La potencia mecánica suministrada a la máquina dependerá de la
fuerza externa aplicada y de la velocidad de desplazamiento del
conductor dentro del campo magnético:
[W]
F·v
Pm 
[V]
B·l·v
ε 
 La potencia eléctrica producida será el producto de la diferencia de
potencial generada en el conductor que se desplaza y de la
corriente de salida generada:
[W]
ε·I
P 
Igualando y teniendo en cuenta que Fmax=B·L·I (donde L es la longitud
del conductor e I la intensidad que lo atraviesa), la fuerza electromotriz
generada (FEM) será:
Δt
ΔΦ
ε 

t
sen
B
N
ε 
S


30. 30
FUERZA ELECTROMOTRIZ GENERADA (II)
 Al igual que ocurre en los motores, la velocidad de giro y la fuerza
electromotriz generada en un generador serán proporcionales; y
también serán proporcionales al flujo por polo del inductor
 Si el generador gira a velocidad cte y la intensidad de excitación
Ie es constante (el flujo será constante), velocidad y fuerza
electromotriz serán proporcionales
[rpm]
Φ
ε
cte
n 
[V]
n
Φ
cte
ε 
2
1
2
1
n
n
ε
ε


31. FUERZA ELECTROMOTRIZ GENERADA (III)
31
 Un generador de CC que opera a 1000rpm genera una FEM de
500V. Determina la velocidad a la que debe girar para generar
una de 650V
___EJERCICIO___
1
1
1
2
1
2 min
300
1
500V
650V
min
000
1
ε
ε
n
n 





32. 32
GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA: TIPOS (I)
 Al igual que en el caso de los
motores, existen distintos tipos de
generadores de CC en función de
la corriente de excitación Ie (la que
circula por las bobinas inductoras
generando un electroimán) que
tiene la máquina.
 Generadores con excitación independiente: la corriente de
excitación la aporta otra máquina. Caros y poco usados
 Generadores autoexcitados: la corriente de excitación la aporta
la propia máquina. Pueden ser de conexión serie, en derivación
(paralelo o shunt) y compuesta (mixta o compound)

33. 33
GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA: TIPOS (II)
i
I
I  I
V
P 
 La potencia generada en el inducido deberá ser ligeramente mayor para
superar las pérdidas eléctricas
2
i
i
i
2
i
i
i
ind I
R
VI
I
R
P
I
ε
P 




 GENERADOR CON EXCITACIÓN INDEPENDIENTE: La corriente salida será
igual a la del inducido, por lo que la potencia eléctrica entregada a la carga
será:
 Dividiendo por Ii, la fuerza electromotriz generada en el inducido será:
[V]
I
R
V
ε i
i



34. 34
GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA: TIPOS (III)
i
e I
I
I 
 I
V
P 
 La potencia generada en el inducido deberá ser ligeramente mayor para
superar las pérdidas eléctricas
2
i
e
2
i
i
i
2
i
e
2
i
i
i
ind I
R
I
R
VI
I
R
I
R
P
I
ε
P 






 GENERADOR SERIE: La corriente salida, de excitación y la que circula por el
inducido serán iguales, por lo que la potencia eléctrica entregada a la carga
será:
 Dividiendo por Ii, la fuerza electromotriz generada en el inducido será:
[V]
)I
R
R
(
V
ε i
e
i 



35. 35
GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA: TIPOS (IV)
I
V
P 
 La potencia generada en el inducido deberá ser ligeramente mayor para
superar las pérdidas eléctricas
2
i
i
i
2
e
e
2
i
i
i
ind I
R
VI
I
R
I
R
P
I
ε
P 





 GENERADOR PARALELO: La corriente de alimentación se divide en dos; una
por cada bobina. Por lo que la potencia eléctrica entregada a la carga será:
 Dividiendo por Ii, la fuerza electromotriz generada en el inducido será:
[V]
I
R
V
ε i
i


e
e
R
V
I 

36. 36
GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA: TIPOS (V)
 La potencia generada en el inducido deberá ser
ligeramente mayor para superar las pérdidas
eléctricas
2
ep
ep
2
es
es
2
i
i
i
ind I
R
I
R
I
R
P
I
ε
P 




 GENERADOR COMPUND: La potencia eléctrica
entregada a la carga será:
 Dividiendo por Ii, la fuerza electromotriz generada en
el inducido será:
[V]
I
R
I
R
V
ε es
es
i
i 


es
ed
e R
R
R 

I
V
P 
es
2
i
i
2
i
ep
ind R
I
R
I
)
I
V(I
P 



es
2
i
i
2
i
i
ind R
I
R
I
VI
P 


2
ep
ep
2
es
es
2
i
i
i
i
ind I
R
I
R
I
R
VI
I
ε
P 





37. GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA:
BALANCE ENERGÉTICO (I)
37
 El rendimiento o eficiencia de un generador es la relación que
hay entre la potencia que da la máquina y la que se la ha
tenido que suministrar
pérdidas
salida
salida
alim
salida
P
P
P
P
P
η



 Las pérdidas totales serán la
suma de las pérdidas mecánicas,
eléctricas y magnéticas
mec
perd
mag
perd
eléc
perd
perd P
P
P
P 


F·v
Palim 
i
2
i
e
2
e
eléc
perd R
I
R
I
P 

V·I
Psalida 

38. GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA:
BALANCE ENERGÉTICO (II)
38
 Un generador de CC en conexión en paralelo tiene una resistencias de
los bobinados del inducido y del inductor de 10 Ω y 100 Ω,
respectivamente. Suministra una corriente a plena carga de 80A. Sus
pérdidas mecánicas y magnéticas suman 1000W. Determina la
potencia de entrada en el generador si en sus terminales ofrece un
voltaje de 430V
___EJERCICIO___
mec
perd
mag
perd
eléc
perd
perd P
P
P
P 


72913.9W
100·4.3
10·84.3
R
I
R
I
P 2
2
i
2
i
e
2
e
eléc
perd 




108.3KW
1000W
72913.9W
34400W
P
P
P pérdidas
salida
entrada 





34400W
430V·80A
VI
Psalida 


4.3A
100Ω
430V
R
V
I
e
e 

 84.3A
80A
4.3A
I
I
I e
i 





39. 39
GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA:
REGULACIÓN DE VOLTAJE
 REGULACIÓN DE VOLTAJE (RV) de un generador es el cambio de
voltaje cuando se varía la corriente en la carga desde el valor de
plena carga (Vpc) hasta el valor de carga cero (Vo ,trabajo en vacío).
Es la media de la característica externa I-V
(%)
·100
V
V
V
RV
pc
pc
o 

 La regulación de voltaje es la media de la característica externa I-V.
Cuando es un valor positivo, a aumentar I disminuirá V. Cuando es
negativo, al aumentar I aumentará también V

40. GENERADORES DE CORRIENTE
ALTERNA
Máquinas eléctricas III

41. GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA
41

42. 42
GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA:
ALTERNADORES (I)
 Similares a los motores de CA,
constan de un estator donde se
coloca el bobinado inducido y un
rotor donde se coloca el bobinado
inductor
 Los anillos de rozamiento harán
llegar la corriente de excitación Ie
 Al circular la corriente Ie por las bobinas del rotor, se genera en éstas un
campo Br que además gira ya que lo hace el eje (al que conectamos un
motor primario externo). Se induce, así, una tensión en las bobinas del
estator
 Para conseguir que esta tensión sea sinusoidal, también debe serlo Br
.Esto se consigue con una distribución de las espiras de los bobinados
inductores de tal manera que vaya variando el número de conductores.
De forma que cuanto menor sea el número de conductores, mayor será Br

43. 43
GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA:
ALTERNADORES (II)
 Si las bobinas del estator son
trifásicas, las tensiones generadas
serán trifásicas también
 La mayor parte de los generadores
de CA son trifásicos. De hecho, para
generar corriente alterna
monofásica se toma una de las
fases de un generador trifásico

44. 44
GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA:
ALTERNADORES (III)
Máquina a
vapor
Motor de
combustión
interna
Turbina
hidráulica
Aerogenerador
 Los alternadores están acoplados a una máquina motriz que les suministra
energía mecánica. Existen varios tipos de alternadores

45. 45
FUERZA ELECTROMOTRIZ GENERADA (I)
 La potencia mecánica suministrada a la máquina dependerá de la
fuerza externa aplicada y de la velocidad de desplazamiento del
conductor dentro del campo magnético:
[W]
F·v
Pm 
[V]
B·l·v
ε 
 La potencia eléctrica producida será el producto de la diferencia de
potencial generada en el conductor que se desplaza y de la
corriente de salida generada:
[W]
ε·I
P 
Igualando y teniendo en cuenta que Fmax=B·L·I (donde L es la longitud
del conductor e I la intensidad que lo atraviesa), la fuerza electromotriz
generada (FEM) será:
Δt
ΔΦ
ε 

t
sen
B
N
ε 
S


46. 46
FUERZA ELECTROMOTRIZ GENERADA (II)
 Al igual que ocurre en los motores, la velocidad de giro y la fuerza
electromotriz generada en un generador serán proporcionales; y
también serán proporcionales al flujo por polo del inductor
 El valor eficaz de la tensión inducida será
[V]
ω
Φ
cte
εmax 
[V]
2
ε
ε max
ef 
[V]
f
Φ
cte
2
f
2π
Φ
cte
2
ω
Φ
cte
2
ε
ε max
ef 



 La frecuencia de la corriente alterna generada será
[Hz]
60
p
n
f 

47. 47
GENERADORES DE CORRIENTE ATERNA TRIFÁSICO:
CIRCUITO EQUIVALENTE
 El circuito
equivalente de un
generador de CA
trifásico será
)
120º
t
sen(ω
ε
ε max
2
2 

)
240º
t
sen(ω
ε
ε max
3
3 

t
senω
ε
ε max
1
1 

48. GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA
TRIFÁSICO: BALANCE ENERGÉTICO (I)
48
 El rendimiento o eficiencia de un generador de CA trifásico es
la relación que hay entre la potencia que da la máquina y la
que se la ha tenido que suministrar
pérdidas
salida
salida
entrada
salida
P
P
P
P
P
η



τ·ω
Pentrada 

 cos
·I
3V
cos
·I
V
3
P F
F
L
L
salida 

cosδ
ε·I
3
P i
conv 
 La potencia mecánica que se
convierte en eléctrica será

49. 49
GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA:
REGULACIÓN DE VOLTAJE
 REGULACIÓN DE VOLTAJE (RV) de un generador es el cambio de
voltaje cuando se varía la corriente en la carga desde el valor de
plena carga (Vpc) hasta el valor de carga cero (Vo ,trabajo en vacío).
Es la media de la característica externa I-V
(%)
·100
V
V
V
RV
pc
pc
o 

 La regulación de voltaje es la media de la característica externa I-V.
Cuando es un valor positivo, a aumentar I disminuirá V. Cuando es
negativo, al aumentar I aumentará también V

50. 50
GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA:
REGULACIÓN DE LA TENSIÓN DE SALIDA
 Es conveniente que un alternador ofrezca un valor constante de
tensión de salida V, sea cual sea la carga. Eso implica regular el valor
de la ε generada en el interior.
 Lo habitual es regular el valor de la corriente de excitación Ie variando
la resistencia del bobinado inductor (situado en el rotor). De esta
manera, regulamos el flujo magnético interno Φ y , por tanto, la fuerza
electromotriz ε
 Es necesario, también que la velocidad de rotación del eje ω, sea
constante
[V]
ω
Φ
cte
ε 








 V
ε
Φ
I
R e
rotor