Maquinas Eléctricas-Chapman-5ta-edición

CAPÍTULO
3
Principios básicos de las máquinas
de corriente alterna (ca)
OBJETIVOS DE APRENDIZAJE
• Aprender cómo generar un voltaje ca en una espira giratoria en
un campo magnético uniforme.
• Entender cómo se produce un par en una espira que lleva una
corriente en un campo magnético uniforme.
• Aprender cómo crear un campo magnético giratorio desde un
estator trifásico.
• Entender cómo un rotor en rotación con un campo magnético
induce voltajes ca en los devanados del estator.
• Comprender la relación entre frecuencia eléctrica, el número de
polos y la velocidad de rotación de una máquina eléctrica.
• Entender cómo se induce par en una máquina de ca.
• Comprender los efectos del aislamiento de los devanados en la
vida útil de las máquinas.
• Entender los tipos de pérdidas en una máquina y el diagrama de
flujo de potencia.
Las máquinas de ca son generadores que convierten energía mecánica en energía eléctrica de ca y
motores que convierten energía eléctrica de ca en energía mecánica. Los principios básicos de las
máquinas de ca son muy simples pero, desafortunadamente, parecen un tanto difíciles
por lo complicado que es construir máquinas reales. En este capítulo se explican
primero los principios de operación de las máquinas de ca por medio de ejemplos
sencillos y luego se consideran algunas de las complicaciones que se presentan en las
máquinas de ca reales.
Hay dos clases principales de máquinas de ca: las máquinas síncronas y las máquinas
de inducción (también llamadas máquinas asíncronas). Las máquinas síncronas
son motores y generadores cuya corriente de campo magnético la suministra una
fuente de potencia ca externa, mientras que las máquinas de inducción son motores
y generadores cuya corriente de campo magnético se suministra a sus devanados de
campo por medio de inducción magnética (acción transformadora). Los circuitos
de campo de la mayoría de las máquinas síncronas y de inducción se localizan en
los rotores. En este capítulo se estudian algunos de los principios básicos comunes
a ambos tipos de máquinas de ca trifásicas. Las máquinas síncronas se estudian con
detalle en los capítulos 4 y 5 y las máquinas de inducción en el capítulo 6.
N
V cd
c
–
c
d
v
r
o´
m
r
V ab
b
u
a
B es un campo magnético uniforme,
alineado como puede apreciarse.
a)
B
b
+
ab
S
3.1 ESPIRA SENCILLA EN UN CAMPO
MAGNÉTICO UNIFORME
Se comenzará con el estudio de las máquinas de ca con una espira sencilla de alambre
que gira dentro de un campo magnético uniforme. La máquina más sencilla posible
que produce un voltaje de ca senoidal es una espira de alambre en un campo magnético
uniforme. Este caso no es representativo de las máquinas de ca reales debido a que el
flujo en las máquinas de ca reales no es constante ni en magnitud ni en dirección. Sin
embargo, los factores que controlan el voltaje y el par en la espira son los mismos que
los factores que controlan el voltaje y el par en las máquinas de ca reales.
La figura 3-1 muestra una máquina simple que consta de un imán estacionario grande
que produce un campo magnético esencialmente constante y uniforme y una espi-
e dc
+
d
l
+ o –
e tot
b)
–
a
e ba
FIGURA 3-1 Espira sencilla giratoria en un
campo magnético uniforme. a) Vista frontal;
b) vista de la bobina.