Este documento proporciona una introducción a las máquinas eléctricas, incluyendo generadores, motores y transformadores. Explica que las máquinas eléctricas convierten energía entre formas eléctrica y mecánica usando los principios de inducción electromagnética. Describe los componentes básicos de máquinas eléctricas rotativas como el estator, rotor, devanados y anillos rozantes. También cubre temas como generadores de corriente alterna trifásicos y diferentes tipos de generadores de corri

1. Instituto Tecnológico de Tapachula Ingeniería Electromecánica

2. INTRODUCCION A LAS MAQUINAS ELECTRICAS Una máquina eléctrica es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en otra energía, o bien, en energía eléctrica pero con una presentación distinta, pasando esta energía por una etapa de almacenamiento en un campo magnético Cuando este dispositivo es utilizado para convertir energía mecánica en energía eléctrica, se denomina generador ; cuando convierte energía eléctrica en energía mecánica, se llama motor otro dispositivo relacionado es e l transformador es un aparato estático, de inducción electromagnética, destinado a transformar un sistema de corrientes alternas en uno o más sistemas de corrientes alternas de igual frecuencia y de intensidad y tensión generalmente diferentes.

3. El principio de funcionamiento de estas máquinas, se basa en que si situamos un conductor dentro de un campo magnético (dos imanes enfrentados) y éste se mueve, se induce una corriente eléctrica variable dentro del conductor. Si este conductor es una espira y la hacemos moverse dentro del campo magnético por medios mecánicos, se va a inducir en la espira una corriente eléctrica variable que depende de la intensidad de flujo magnético que atraviesa la espira en cada momento (generador). Si por el contrario hacemos circular una corriente eléctrica variable por la espira, en ésta se produce un movimiento circular (motor). PRINCIPIOS BÁSICOS: • LEY DE INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA DE FARADAY • LEY DE LA FUERZA MAGNÉTICA DE LAPLACE

4. MAQUINAS ELECTRICAS ROTATIVAS MOTORES ESTATICAS GENERADORES CORRIENTE ALTERNA O CONTINUA. TRANSFORMADORES

5. PRINCIPIOS BÁSICOS • GENERADOR ESPIRA SE MUEVE EN CAMPO MAGNÉTICO ⇒ FLUJO VARIABLE TIEMPO ⇒ TENSIÓN INDUCIDA ⇒ i SI HAY CARGA CONECTADA A LA ESPIRA CAMPO MAGNÉTICO ⇒ FUERZA SOBRE ESPIRA OPUESTA A LA FUERZA MOTRIZ ⇒ TRABAJO MECÁNICO

6. ELEMENTOS BÁSICOS DE LAS MÁQUINAS ROTATORIAS • ESTATOR - PARTE FIJA • ROTOR - PARTE MÓVIL • CILÍNDRICOS • MISMO EJE • MATERIAL FERROMAGNÉTICO • ENTREHIERRO – ESPACIO ENTRE AMBOS DEVANADOS: • INDUCTOR – ORIGINA CAMPO MAGNÉTICO BÁSICO • INDUCIDO – TENSIÓN INDUCIDA • ANILLOS ROZANTES, ESCOBILLAS • COLECTOR DE DELGAS – RECTIFICACIÓN MECÁNICA

9. Panorámica sobre el uso de las maquinas eléctricas rotativas. Como se ha expuesto anteriormente, con estos dispositivos electromecánicos de conversión, podemos transformar energía en ambos sentidos (MECANICA-ELECTRICA). Esto ha sido aprovechado para construir sus sistemas generadores, transmisores y consumidores de potencia La figura muestra a grandes rasgos un sistema de estos.

10. De acuerdo con la ley de Ampere, cuando una corriente circula a través de un conductor, se genera un campo magnético alrededor del mismo, cuya dirección se establece con base a la regla de la mano derecha, como se observa en la Figura Por otro lado, cuando existen fuerzas internas capaces de alinear los dipolos magnéticos elementales de un material, se tiene un imán permanente. Sabemos que un imán afecta a ciertos materiales y a otros no. Sabemos también que un clavo cerca de un imán se comporta como otro imán; pero casi siempre pierde esta propiedad si se aleja del mismo. Al igual que en un conductor o un material, en los elementos de una máquina eléctrica rotatoria se pueden inducir campos magnéticos que producen un magnetismo residual o magnetización. En las máquinas eléctricas rotatorias, el fenómeno de magnetización causa graves problemas, como la generación de corrientes inducidas que atenúan en el desgaste mecánico en chumaceras, collarines, muñones e inclusive en la misma flecha, por efectos conocidos como corrientes frosting, pitting o spark tracks, así como lecturas erróneas en sensores de vibración y temperatura, y que en algunos casos pueden provocar que la máquina rotatoria salga de operación. En el ámbito mundial no existe una norma que establezca los valores del campo magnético residual, permitidos en máquinas eléctricas rotatorias. Los valores recomendados en la literatura del tema se han establecido con base en la experiencia de trabajos desarrollados, Campo magnético Alrededor de un conductor

12. La familia de los generadores engloba todos los componentes eléctricos que tienen como función suministrar corriente eléctrica al circuito. Hay muchos tipos de generadores, como los utilizados en las centrales eléctricas, la dinamo de una bicicleta, las células solares de un coche solar, la batería de un teléfono móvil, etc. Uno de los tipos más utilizados, y el más adecuado para aprender electricidad, son la pilas, entre ellas: -Pilas de botón -Pilas prismáticas -Pilas de petaca -Pilas cilíndricas

13. ELECTROMAGNÉTICA Es posible hacer que un campo magnético genere corriente eléctrica. Aest fenómento se le conoce como inducción electromagnética y que descubierto por el físico inglés Michael Fraday en 1831. Si movemos un imán cerca de un conductor eléctrico, en el interior del conductor se genera un movimiento de electrones, es decir, corriente eléctrica. La cantidad de corriente será mayor cuanto más rápido sea el movimiento del imán. Si el imán se para, cesa la corriente. A la corriente generada mediante inducción electromagnética se le llama corriente inducida El sentido de la corriente inducida va cambiando conforme al imán se mueve de izquierda a derecha o viceversa, asi que se trata de corriente alterna, no de corriente continua. Se podría mantener quieto el imán y mover la bobina y el efecto sería el mismo, lo importante es el movimiento relativo entre el imán y la bobina. Tambien se podría sustituir el imán permanente por un electroimán y de nuevo el resultado no varía, no importa si el campo magnético proviene de un imán permanente o de un electrimán. La regla general es que se obitiene una corriente inducida en una bobina siempre que se expone a un campo magnético flucturante (que varie con el tiempo). Si el campo magnético es siempre igual, no hay inducion electromagnética.

14. Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estator). Si mecánicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generara una fuerza electromotriz (F.E.M.).

15. Generador en la central eléctrica de Bridal veil Falls, Telluride, Colorado. Se trataría del generador más antiguo que se mantiene en servicio (año 2007) en EEUU.

16. Son generadores primarios los que convierten en energía eléctrica la energía de otra naturaleza que reciben o de la que disponen inicialmente, mientras que los secundarios entregan una parte de la energía eléctrica que han recibido previamente. Se agruparán los dispositivos concretos conforme al proceso físico que les sirve de fundamento. GENERADORES PRIMARIOS Y SECUNDARIOS

17. GENERADORES DE C.A TRIFASICOS Básicamente, los principios del generador trifásico son los mismos que los de un generador bifásico, excepto que se tienen tres devanados espaciados igualmente y tres voltajes de salida defasados 120 grados entre sí. A continuación, se ilustra un generador simple trifásico de espira rotatoria, incluyendo las formas de onda. Físicamente, las espiras adyacentes están separadas por un ángulo equivalente a 60 grados de rotación. Sin embargo, los extremos de la espira están conectados a los anillos rozantes de manera que la tensión 1 está adelantada 120 grados con respecto a la tensión 2; y la tensión 2, a su vez, está adelantada 120 grados con respecto a la tensión 3.

20. ESTRUCTURA DE LOS GENERADORES DE C.A. Desde el punto de vista de apariencia física, los generadores de c-a varían considerablemente, desde los muy grandes, impulsados por turbinas que pesan miles de kilogramos, hasta pequeños generadores de aplicación especial que sólo pesan unos cuantos kilogramos y aun menos. Sin embargo, según ha quedado apuntado, prácticamente todos los generadores de c-a tienen armaduras estacionarias y campos rotatorios. Los devanados de armadura se colocan siguiendo la circunferencia interna de la cubierta del generador y generalmente se incrustan en un núcleo de hierro laminado. El núcleo y los devanados constituyen el estator.

22. MOTOGENERADOR Un moto generador consta de un motor eléctrico y un generador conectados mecánicamente de manera que el motor hace girar al generador. El motor suministra así la energía mecánica que el generador transforma en energía eléctrica. Tanto el motor como el generador de un motor generador suelen estar montados sobre la misma base y pueden moverse e instalarse como una sola unidad. Los motogeneradores generalmente se usan para cambiar electricidad de un voltaje o frecuencia a otro o para convertir c-a en c-c ó c-c en c-a. La electricidad que tiene las características que han de transformarse alimenta al motor y el generador está diseñado para producir electricidad con las nuevas características deseadas. Por ejemplo, el motor puede ser impulsado por una fuente de potencia de 60-cps, en tanto que el generador produce una salida cuya frecuencia es de 400-cps. O bien un motor de c-c puede impulsar a un generador de c-a para lograr la conversión de c-c en c-a.

23. Cuando el dispositivo cambia una clase de c-a. a otra clase de c-a o a c-c, se llama grupo motogenerador. Pero, cuando se usa para convertir c-c en c-a, a veces también se le llama convertidor. Muy frecuentemente, el convertidor tiene el motor y el generador dentro de la misma cubierta.

25. Los generadores DC son maquinas de corriente continua utilizados como generadores . Como se puntualizo antes, no hay diferencia real entre un generador y un motor excepto por la direccion del flujo de potencias .

33. CIRCUITO EQUIVALENTE:

37. CIRCUITO EQUIVALENTE CON CONEXIÓN EN DERIVACION LARGA.

39. En esencia produce corriente libre de rizo y un voltaje fijo de manera muy precisa a cualquier valor deseado desde cero hasta la máxima nominal; ésta es en realidad corriente eléctrica de corriente continua que permite la mejor conmutación posible en el motor, porque carece de la forma de las ondas bruscas de energía de corriente continua de los rectificadores.

44. CENTRALES HIDROELECTRICAS CENTRALES TERMICAS

45. CENTRALES NUCLEARES CENTRALES EOLICAS CENTRALES SOLARES

46. En esencia produce corriente libre de rizo y un voltaje fijo de manera muy precisa a cualquier valor deseado desde cero hasta la máxima nominal; ésta es en realidad corriente eléctrica de corriente continua que permite la mejor conmutación posible en el motor, porque carece de la forma de las ondas bruscas de energía de corriente continua de los rectificadores.

51. CENTRALES HIDROELECTRICAS CENTRALES TERMICAS

52. El mantenimiento predictivo es una técnica para pronosticar el punto futuro de falla de un componente de una maquina, de tal forma que dicho componente pueda reemplazarse, con base en un plan, justo antes de que falle. Así, el tiempo muerto del equipo se minimiza y el tiempo de vida del componente se maximiza.

53. Esta técnica supone la medición de diversos parámetros que muestren una relación predecible con el ciclo de vida del componente. Algunos ejemplos de dichos parámetros son los siguientes: * Vibración de cojinetes * Temperatura de las conexiones eléctricas * Resistencia del aislamiento de la bobina de un generador

54. El uso del mantenimiento predictivo consiste en establecer, en primer lugar, una perspectiva histórica de la relación entre la variable seleccionada y la vida del componente. Esto se logra mediante la toma de lecturas (por ejemplo la vibración de un cojinete) en intervalos periódicos hasta que el componente falle.

55. Existen varias técnicas aplicadas para el mantenimiento preventivo entre las cuales tenemos las siguientes: El interés de las Vibraciones Mecánicas llega al Mantenimiento Industrial de la mano del Mantenimiento Preventivo y Predictivo, con el interés de alerta que significa un elemento vibrante en una Maquina, y la necesaria prevención de las fallas que traen las vibraciones a medio plazo.

56. Este método estudia las ondas de sonido de baja frecuencia producidas por los equipos que no son perceptibles por el oído humano. El Ultrasonido permite: -> Detección de fricción en maquinas rotativas. -> Detección de fallas y/o fugas en válvulas. -> Pérdidas de vacío. Ultrasonido pasivo: Es producido por mecanismos rotantes, fugas de fluido, pérdidas de vacío, y arcos eléctricos. Pudiéndose detectarlo mediante la tecnología apropiada.

58. • Análisis de Emergencia: se efectúan para detectar cualquier anomalía en el equipo y/o Lubricante, según: » Sólidos (filtros y sellos defectuosos) » Uso de un producto inadecuado Este método asegura que tendremos: -> Máxima reducción de los costos operativos . -> Máxima vida útil de los componentes con mínimo desgaste. Máximo aprovechamiento del lubricante utilizado.

59. La Termografía Infrarroja es una técnica que permite, a distancia y sin ningún contacto, medir y visualizar temperaturas de superficie con precisión. El análisis mediante Cámaras Termográficas Infrarrojas, está recomendado para: -> Instalaciones y líneas eléctricas de Alta y Baja Tensión. -> Cuadros, conexiones, bornes, transformadores, fusibles y empalmes eléctricos. -> Motores eléctricos, generadores, bobinados, etc. -> Reductores, frenos, rodamientos, acoplamientos y embragues mecánicos. -> Hornos, calderas e intercambiadores de calor. -> Instalaciones de climatización.

60. El uso de la Termografía ha revolucionado los programas de inspección para el mantenimiento predictivo, prácticamente, en todo tipo de industria. Cámaras Térmicas para Tareas Eléctricas y Mecánicas Una cámara térmica es un dispositivo confiable sin contacto que es capaz de explorar y visualizar, rápida y acertadamente, la distribución de temperatura en superficies completas de equipo mecánico y eléctrico.

63. La implantación de un sistema de este tipo requiere una inversión inicial importante, los equipos y los analizadores de vibraciones tienen un costo elevado. De la misma manera se debe destinar un personal a realizar la lectura periódica de datos. Se debe tener un personal que sea capaz de interpretar los datos que generan los equipos y tomar conclusiones en base a ellos, trabajo que requiere un conocimiento técnico elevado de la aplicación. Por todo ello la implantación de este sistema se justifica en máquina o instalaciones donde los paros intempestivos ocasionan grandes pérdidas, donde las paradas innecesarias ocasionen grandes costos.

64. GENERADOR ELECTRICO

67. armadura. Por lo general, estas piezas son de acero laminado eléctrico de alta permeabilidad, de 0.017 a 0.025 in de grueso, y tienen entre ellas una película aislante. Las unidades pequeñas y medianas utilizan piezas embutidas segméntales como las que se ilustran en la figura 2, que también muestra los dedos que se usan para formar los ductos de ventilación.

68. Estas piezas suelen ser más gruesas que las del rotor porque sólo las caras polares están sujetas a cambios de flujo de alta frecuencia; las piezas son de 0.062 a 0.125 in de grueso y por lo general van remachadas. Esta pieza es realmente el corazón de la máquina de cd y debe operar con variaciones de temperatura de al menos 55ºC, con velocidades periféricas que pueden llegar a 7000 ft/min. Sin embargo, debe permanecer uniforme a no más de 0.002 o 0.003 in y alineada entre barra y barra a no más de 0.0001 in. El conmutador está hecho de barras duras de cobre laminadas con precisión en forma de cuña. Dichas barras están separadas una de otra por segmentos de laminillas de mica, cuyo grosor debe conservarse de modo muy preciso para obtener un espaciamiento casi perfecto de las barras y que no haya oblicuidad. Este grosor es de 0.020 a 0.050 in, dependiendo del tamaño del generador y del voltaje máximo que se pueda esperar entre las barras durante la operación.

69. Características de la corriente directa. Las máquinas de corriente directa requieren muchos conductores y dos o más polos estacionarios que producen flujo, para proporcionar el voltaje generado necesario o el par motor necesario. La dirección del flujo de corriente en los conductores de la armadura bajo cada polo particular debe ser siempre correcta para obtener los resultados deseados ). Por lo tanto, la corriente en los conductores debe invertirse en algún momento cuando los conductores pasan por el espacio entre polos contiguos norte y sur.

70. Esto se logra mediante los carbones conectados al circuito externo; dichos carbones hacen contacto con los conductores por medio del conmutador. Para describir la conmutación, en la figura se muestra el devanado de armadura de anillo Gramme (que no se usa en máquinas prácticas). Todos los conductores están conectados en serie y enrollados alrededor de un anillo de acero, mismo que proporciona una trayectoria para el flujo del polo norte al polo sur

71. . El devanado de anillo Gramme no se usa, porque la mitad de los conductores (los que están dentro del anillo) no cortan flujo y se desperdician

72. Un devanado cerrado individual se cierra en sí mismo sólo después de incluir todos los conductores

73. Un devanado cerrado doblemente se cierra en sí mismo después de incluir la mitad de los conductores

74. devanado imbricado símplex de 6 polos. El estudio de éste revela las seis trayectorias paralelas entre las terminales positiva y negativa. Los tres carbones positivos están conectados fuera de la máquina por un anillo T+ de cobre y los carbones negativos por T-.

75. devanados imbricados símplex, en los que el número de trayectorias en paralelo en el devanado de la armadura es igual al número de polos principales. Esto permite que la corriente por trayectoria sea lo suficientemente baja para admitir conductores de medidas razonables en las bobinas.

76. Casi todas las máquinas de cd medianas y grandes utilizan devanados imbricados símplex, en los que el número de trayectorias en paralelo en el devanado de la armadura es igual al número de polos principales. Esto permite que la corriente por trayectoria sea lo suficientemente baja para admitir conductores de medidas razonables en las bobinas. Devanados. Las representaciones de devanados de cd son necesariamente complicados