¡Descarga Principios de Electromagnetismo y su Aplicación en Máquinas Eléctricas - Prof. Manzo y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Máquinas Eléctricas solo en Docsity!
Maquinas eléctricas Investigación Principios electromagnéticos y el funcionamiento de los transformadores eléctricos. Unidad 1
Presenta: Heydi Belén Gordillo Zapata, 22770123 Luis Gabriel Cruz Toledo, 22770339
Docente: Ing.Jesús Miguel Ruiz Martínez
Semestre:6° Grupo: 6B
Unión hidalgo, Oaxaca, México 12 de feb, 2024
TECNOLOGICO NACIONAL DE MEXICO
INSTITUTO TECNOLOGICO DEL VALLE DE ETLA
INGIENERIA EN ENERGIAS RENOVABLES
Índice
- Principios electromagnéticos y el funcionamiento de los transformadores eléctricos
- Fundamento del electromagnetismo
- Definición e importancia
- Principales leyes del electromagnetismo:
- Ejemplo
- Ley de Faraday: Inducción electromagnética y generación de voltaje
- Ley de Lenz: Sentido de la corriente inducida y oposición a cambios de flujo magnético
- Formula
- Ley de Ampère: Relación entre corriente y campo magnético
- Circuito Magnético..................................................................................................................................
- Introducción a los Transformadores Eléctricos
- Clasificación de los transformadores:
- Análisis del Transformador Ideal
- Modelo ideal de transformador..............................................................................................................
- Circuito Equivalente del Transformador con Núcleo de Hierro
- Regulación de Voltaje y Eficiencia del Transformador
- Autotransformadores y Conexiones Trifásicas
- Conexiones y configuraciones más habituales en los transformadores trifasico
- Empezamos con la conexión Delta – Delta en los Transformadores Trifásico
- Información importante que debes tener en cuenta para la conexión delta-delta.................
- Autotransformadores y Conexiones Trifásicas
- Aplicaciones de los Transformadores en Energías Renovables
- Conclusión
- Referencia bibliográfica
Fundamento del electromagnetismo
Definición e importancia El electromagnetismo es la rama de la física que estudia la interacción entre cargas eléctricas y campos magnéticos. Su importancia radica en la conversión de energía eléctrica a mecánica en motores, y de mecánica a eléctrica en generadores, además de su papel en la transmisión eficiente de energía mediante transformadores.
Principales leyes del electromagnetismo: Leyes de Maxwell Describen el comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos. Son cuatro ecuaciones fundamentales que rigen el electromagnetismo en cualquier sistema eléctrico.
Las ecuaciones de Maxwell son una serie de cuatro ecuaciones diferenciales parciales que describen la fuerza del electromagnetismo. Fueron derivadas por el matemático James Clerk Maxwell, quien las publicó por primera vez en 1861 y en 1862. Individualmente, las cuatro ecuaciones se denominan ley de Gauss, ley de Gauss para el magnetismo, ley de Faraday y ley de Ampere. Las ecuaciones se ven así:
Si bien el uso de estas ecuaciones implica la integración (cálculo), aún podemos hablar sobre lo que representa cada ley conceptualmente y cómo se usan:
La ley de Gauss relaciona la distribución de la carga eléctrica con el campo que crea la carga. Si conoce la forma del objeto y, por lo tanto, cómo se distribuye la carga, puede usar la ley de Gauss para encontrar una expresión para el campo eléctrico. Por lo general, se usa cuando hay cierto grado de simetría, lo que simplifica la ecuación.
La ley de Gauss para el magnetismo dice que los monopolos magnéticos no existen. Es más una declaración que algo que podamos usar para derivar expresiones. Los cargos existen como positivos o negativos. Pero en el magnetismo, siempre que tienes un polo sur, también tienes un polo norte; no hay un solo polo o monopolos, hasta ahora descubierto.
La ley de Faraday dice que cualquier cambio en el entorno magnético de una bobina de alambre provocará que se induzca un voltaje en la bobina. Si la fuerza del campo magnético cambia, o el imán se mueve, o la bobina se mueve, o la bobina gira, cualquiera de estas cosas creará un voltaje en la bobina.
En primer lugar, debemos escribir lo que sabemos: el campo magnético inicial, Bi , es igual a 0,1; el número de vueltas, N , es igual a 50; el área, A , es igual a 0.05; el campo magnético final, Bf , es de 0,4; y el tiempo, t , es igual a 3.
Dado que la ecuación tiene delta B , necesitamos encontrar el cambio en el campo. El cambio en el campo será la diferencia entre los valores inicial y final, que es 0.4 menos 0.1, y eso es igual a 0.3.
Finalmente, simplemente conectamos nuestros números a la ecuación y resolvemos. 50 multiplicado por 0,3 multiplicado por 0,05 (ya que el área no cambió) dividido por 3 es igual a 0,25 voltios. Y eso es; esa es nuestra respuesta.
Ley de Faraday: Inducción electromagnética y generación de voltaje Establece que una variación en el flujo magnético a través de un circuito genera una fuerza electromotriz inducida.
La física es el estudio de cómo funciona el universo, y dentro de esta área, la electricidad y el magnetismo son dos de sus conceptos más fascinantes. Uno de los pilares fundamentales de esta rama es la Ley de Faraday de la Inducción Electromagnética, descubierta por el científico Michael Faraday en 1831. Esta ley revolucionó la forma de entender cómo la electricidad y el magnetismo se relacionan uno con el otro, y cómo podemos generar corriente eléctrica a partir de un campo magnético cambiante.
En términos simples, la Ley de Faraday establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional al ritmo de cambio del flujo magnético a través de dicho circuito. En otras palabras, si cambiamos la intensidad de un campo magnético que pasa a través de un lazo o espira de alambre, podemos crear o «inducir» una corriente eléctrica.
Aplicación Práctica de la Ley de Faraday ¿Cómo se aplica esta ley en la vida real? Uno de los ejemplos más comunes es el funcionamiento de los generadores eléctricos. Cuando una bobina de alambre gira dentro de un campo magnético, el flujo magnético a través de la bobina cambia y, por lo tanto, se induce una corriente eléctrica que puede ser utilizada para alimentar dispositivos o cargar baterías.
Además, la inducción electromagnética es fundamental en componentes electrónicos como los transformadores, que modifican los niveles de voltaje de la corriente alterna para su transmisión eficiente a larga distancia, o en la carga inalámbrica de dispositivos, donde un cambiante campo magnético induce una corriente en una bobina receptora para cargar la batería de un dispositivo.
N representa el número de espiras. ∆ϕ representa está en webers y representa el flujo de inducción magnética. ∆t representa el tiempo expresado en segundos. Cabe señalar que el signo – es para indicar que la polaridad de la tensión es tal que se opone a la causa que la produjo.
Ley de Ampère: Relación entre corriente y campo magnético Relaciona la corriente eléctrica con la generación de un campo magnético alrededor de un conductor.
La Ley de Ampère establece que para cualquier camino cerrado, el
sumatorio del producto del campo magnético y la longitud de un elemento de
camino, es proporcional a la corriente eléctrica total que atraviesa la superficie
limitada por este camino. Matemáticamente, la ley se expresa como:
∮camino cerradoB ⋅dl =μ 0 Ienc
donde:
- ∮ denota la integral de línea alrededor de un camino cerrado.
- B es el campo magnético.
- dl es el diferencial de longitud a lo largo del camino cerrado.
- μ 0 es la permeabilidad magnética en el vacío, cuyo valor es 4 π×10−7 T⋅m/A.
- Ienc es la corriente eléctrica encerrada por el camino cerrado.
Aplicaciones de la Ley de Ampère La Ley de Ampère se usa para calcular campos magnéticos en diversas configuraciones, como en el interior y exterior de conductores circulares y solenoides. Las aplicaciones de esta ley son inmensas en el campo de la ingeniería eléctrica y la física aplicada:
Motores Eléctricos: Los motores eléctricos funcionan basándose en la interacción entre campos magnéticos y corrientes eléctricas, un principio directamente descrito por la Ley de Ampère.
Transformadores: La Ley de Ampère también es clave para entender el funcionamiento de los transformadores, que permiten cambiar el voltaje de una corriente alterna mediante el uso de campos magnéticos.
Electroimanes: Conociendo la relación entre la corriente y el campo magnético, podemos diseñar electroimanes que tengan características específicas para aplicaciones industriales o médicas.
Un circuito magnético se compone de uno o más circuitos cerrados que contienen un flujo magnético. El flujo suele ser generado por imanes permanentes o electroimanes y confinado al camino mediante núcleos magnéticos que consisten en materiales ferromagnéticos como el hierro, aunque puede haber espacios de aire u otros materiales en el camino. Los circuitos magnéticos se emplean para canalizar eficientemente campos magnéticos en muchos dispositivos, como motores eléctricos, generadores, transformadores, relés, electroimanes elevadores, SQUID, galvanómetros y cabezales de registro magnético.
La relación entre el flujo magnético, la fuerza magnetomotriz y la reluctancia magnética en un circuito magnético insaturado puede describirse mediante la ley de Hopkinson, que guarda un parecido superficial con la ley de Ohm en los circuitos eléctricos, lo que resulta en una Correspondencia uno a uno entre las propiedades de un circuito magnético y un circuito eléctrico análogo. Utilizando este concepto, los campos magnéticos de dispositivos complejos como transformadores se pueden resolver rápidamente utilizando los métodos y técnicas desarrollados para circuitos eléctricos.
Algunos ejemplos de circuitos magnéticos son:
imanes de herradura con guarda de hierro (circuito de baja resistencia) iman de herradura sin guarda (circuito de alta resistencia) motor eléctrico (circuito de resistencia variable) algunos tipos de cartuchos de recogida (circuitos de resistencia variable)
Existe una analogía entre circuitos eléctricos y magnéticos: Con la expresión de la Ley de Hopkinson, podemos hacer una analogía entre magnitudes y leyes magnéticas y eléctricas, que te presentamos en la siguiente tabla:
Pero también existen sus diferencias: En un circuito eléctrico las cargas se mueven a lo largo del circuito, sin embargo en los circuitos magnéticos no existe movimiento de flujo.
de la Ley de Faraday y la Ley de Lenz. El transformador se utiliza en la distribución de energía eléctrica, para cambiar los valores de voltaje. La energía que circula a través de los postes tiene un voltaje mucho más alto que el voltaje que usamos en el hogar en los tomacorrientes. Por lo tanto, es necesario usar un transformador para cambiar el valor de este voltaje al apropiado. De esta manera, los dispositivos electrónicos también funcionan con voltajes mucho más bajos que los voltajes eléctricos que se encuentran en los enchufes. Por lo tanto, se requiere un transformador dentro de la fuente de alimentación de los dispositivos para disminuir el valor del voltaje eléctrico.
Cómo funciona el transformador El transformador consta de dos o más bobinas enrolladas alrededor de un núcleo ferromagnético, de modo que cuando una bobina se energiza con una corriente alterna, el campo electromagnético generado por el flujo de esta corriente en la bobina induce un voltaje eléctrico en la otra bobina. Por lo tanto, una bobina actúa como entrada y la otra como salida. El núcleo sirve para acoplar las dos bobinas, es decir, para facilitar que una bobina induzca un voltaje eléctrico en la otra bobina. Por lo tanto, los transformadores funcionan según el principio de inducción electromagnética.
De esta manera, es posible controlar el valor de la tensión de salida a partir de la tensión de entrada en el transformador. Esto se hace de acuerdo con la proporción de vueltas, es decir, el número de vueltas de la bobina alrededor del núcleo, en relación con el número de vueltas de la otra bobina.
Un punto importante es que, según Leyes de Faraday es de Lenz, para inducir una corriente eléctrica en un circuito desde un campo electromagnético es necesario que el campo sea variable. Un campo electromagnético variable es generado por una corriente alterna. Por lo tanto, los transformadores solo funcionan con corriente alterna. De esta manera, un transformador no funcionará en corriente continua, la electricidad pasará a través de él como si fuera un conductor ordinario.
Partes de un transformador Un transformador común se compone de dos componentes principales: Núcleo – En general, está hecho con un material altamente magnetizable, ya que es él quien transmitirá la corriente de un devanado a otro;
Devanados – Son las bobinas, hechas de alambre de cobre con una capa de barniz que sirve como aislante. Entonces, como usualmente tenemos dos devanados, uno para entrada y salida de corriente, se llaman devanado primario y devanado secundario.
Una característica del transformador es que permite aislar los circuitos conectados a los devanados. Esto no sucede con los autotransformadores, donde los devanados están en contacto entre sí. Por lo tanto, el transformador también puede funcionar como un aislante en un circuito
trifásico permite tener una conversión eficiente de voltajes y corrientes en sistemas eléctricos. Estos dispositivos son esenciales para garantizar un suministro eléctrico confiable en una amplia variedad de aplicaciones, desde sistemas industriales hasta redes de distribución residencial.
Transformador Monofásico Un transformador monofásico es un dispositivo de conversión electromagnética que opera en un sistema de una sola fase, es decir, donde la energía eléctrica se transmite a través de un único circuito. Consiste en dos bobinas enrolladas alrededor de un núcleo ferromagnético, conocidas como bobina primaria y bobina secundaria. La bobina primaria está conectada a la fuente de alimentación, mientras que la bobina secundaria está vinculada al sistema que requiere el voltaje transformado.
Su principio de funcionamiento se basa en la ley de Faraday de la inducción electromagnética. Cuando se aplica un voltaje alterno a la bobina primaria, se crea un campo magnético que induce un voltaje en la bobina secundaria. La relación entre el número de vueltas de alambre en la bobina primaria y la bobina secundaria determina la relación de transformación, es decir, cómo el voltaje y la corriente se escalan entre las dos bobinas. Esto permite adaptar la energía eléctrica a las necesidades específicas de diferentes dispositivos y sistemas.
Transformador Trifásico El sistema eléctrico trifásico es ampliamente utilizado en aplicaciones industriales y de alta potencia debido a su eficiencia en la transmisión y distribución de energía. Los transformadores trifásicos son componentes clave en este sistema, ya que permiten la conversión de energía en un sistema de tres fases, donde tres fuentes de voltaje alternante están desplazadas en fase entre sí en 120 grados.
Consta de tres bobinas primarias y tres bobinas secundarias. Estas bobinas se colocan de manera que formen una conexión en estrella o un enlace delta, dependiendo de la configuración del sistema eléctrico. La operación de un transformador trifásico se basa en el mismo principio que el transformador monofásico, pero debido a la naturaleza de tres fases del sistema, los transformadores trifásicos son más eficientes y pueden manejar cargas de mayor potencia.
Aplicaciones y Ventajas Tanto los transformadores monofásicos como los trifásicos tienen una amplia gama de aplicaciones en la industria y el mundo cotidiano. Por un lado, los transformadores monofásicos son comunes en aplicaciones residenciales y comerciales, como la reducción del voltaje de la red de distribución a niveles seguros para su uso en hogares y oficinas. También se utilizan en dispositivos electrónicos y electrodomésticos para adaptar el voltaje y garantizar un funcionamiento seguro y eficiente.
Por otro lado, los transformadores trifásicos son esenciales en aplicaciones industriales que requieren una gran cantidad de energía, como la alimentación de motores eléctricos de alta potencia empleados en máquinas industriales, bombas y sistemas de climatización. Además, son fundamentales en la transmisión de energía eléctrica a largas distancias, desde las plantas generadoras hasta los centros de consumo, reduciendo las pérdidas de energía en el proceso.
