Introducción

A continuación se describe que es una máquina eléctrica, generadores, motores y transformadores. Se explican los conceptos de electromagnetismo generales que permiten el funcionamiento de una máquina eléctrica, así mismo se anexan vídeos que nos ayudan a ver gráficamente lo explicado en los textos.

Se empezará con máquinas de corriente directa, explicando su principio de funcionamiento, pérdidas que presentan, su comportamiento como motor y como generador. También se abarca el principio de funcionamiento de los generadores, incluyendo las pérdidas que presentan y algunas características fundamentales.

De manera general se abordarán las máquinas síncronas y su principio de funcionamiento.

Con la información descrita se busca dar la oportunidad de saber para qué aplicaciones son útiles cada una de las máquinas descritas.  

Se puede observar en el siguiente cuadro de los temas más importantes:

Índice

1. Conceptos generales

2. Máquinas de corriente directa 

3. Transformadores 

4. Motores de inducción 

5. Máquinas síncronas  

Conceptos Generales

Clasificación de las fuentes de energía

La clasificación de las diversas fuentes de energía se puede atender según¨
- Su disponibilidad en la naturaleza y a su capacidad de regeneración
- A la necesidad de transformarlas o no para su uso
- A su uso en casa país
- Al impacto ambiental.

Atendiendo a su disponibilidad en la naturaleza y a su capacidad de regeneración las podemos diferenciarlas en:
Renovables
Son las fuentes de energía abundante en la naturaleza e “inagotable”. (Por ejemplo: el viento, la marea, el sol...).
No renovables
Son las fuentes de energía que pueden ser abundantes o no en la naturaleza, pero se agotan al utilizarlas, y no se renuevan a corto plazo. (Por ejemplo: el carbón, el petróleo, la gasolina...).

Según a la necesidad de transformarlas o no para su uso, las podemos clasificar en:
- Primarias: se obtienen directamente de la naturaleza y no hace falta transformarlas. (por ejemplo: el gas natural, nuclear, energías renovables...).
- Secundarias: son el resultado de la transformación de fuentes primarias, y se necesitan transformar. (por ejemplo: los derivados del petróleo, electricidad...).

Atendiendo a su uso en cada país las podemos clasificar en:
- Convencionales: trata de las energías más usadas en los países industrializados, son responsables del desarrollo tecnológico. (por ejemplo: la energía procedente de los combustibles fósiles).
- No convencionales: son fuentes alternativas de energía que están empezando su desarrollo tecnológico. No inciden mucho en la economía de los países (por ejemplo: la energía solar y la energía eólica...).

Atendiendo al impacto ambiental se dividen en:
- Limpias o no contaminantes: son las fuentes cuya obtención de energía produce un impacto ambiental mínimo y no genera subproductos tóxicos y contaminantes.( por ejemplo: la energía hidráulica , la biomasa ...)
- Contaminantes: son las fuentes de energía que dañan el medio ambiente a través de su forma de obtención (minas, talas...) y otras en el momento de su uso (combustibles) producen subproductos altamente contaminantes. (por ejemplo: en los residuos nucleares...).

Principales Hidroeléctricas a nivel internacional

La energía hidroeléctrica es con gran diferencia la primera fuente renovable en el mundo. En la actualidad la potencia instalada supera los 1.000 GW y la producción en 2014 alcanzó los 1.437 TWh, que suponían el 14% de la producción mundial de electricidad según los datos de la Agencia Internacional de la Energía (AIE). Además, según las previsiones de la AIE, la energía hidroeléctrica seguirá creciendo a un ritmo importante hasta doblar su potencia actual y superar los 2.000 GW de potencia instalada en 2050
1.- Una de las centrales hidroeléctricas de mayor tamaño del mundo es la de las Tres gargantas sobre el río Yangtsé de China. Esta colosal obra de la ingeniería fue iniciada en 1993 y quedó terminada en 2012. La presa mide 2,3 kilómetros de ancho y 185 metros de alto.

Cuenta con 32 turbinas de 700 MW cada una, 14 instaladas en el lado norte de la presa, 12 en el lado sur de la presa y seis más subterráneas totalizando una potencia de 24.000 MW.

2.- La central hidroeléctrica de Itaipú, con una potencia instalada de 14.000 MW se sitúa 

como la segunda mayor del mundo. La instalación, operada por la compañía Itaipú Binacional, se encuentra en el río Paraná, en la frontera entre Brasil y Paraguay. Las obras se iniciaron en 1975 y fueron finalizadas en 1982.

La planta hidroeléctrica de Itaipú suministra alrededor del 17,3% del consumo energético de Brasil y el 72,5% de la energía consumida en Paraguay. Específicamente consta de 20 unidades generadoras con una capacidad de 700 MW cada una, habiendo llegado a lograr una producción en 2014 prácticamente igual a la de Tres Gargantas, al alcanzar los 98,5 TWh. 

3.- La central hidroeléctrica de Xiluodu situada en el curso del río Jinsha, afluente del río Yangtzé en su curso superior, está en el centro de la provincia de Sichuan, es la segunda mayor central de energía de China y la tercera más grande del mundo. La capacidad instalada de la planta alcanzó los 13.860 MW a finales de 2014 cuando se pusieron las dos últimas turbinas de generación.

La central consta de una presa de arco de doble curvatura de una altura de 285,5 metros y un ancho de 700 metros, creando un embalse con una capacidad de almacenamiento de 12.670 millones de metros cúbicos. Consta de 18 generadores de turbinas Francis de una capacidad de 770 MW cada una y un generador refrigerado por aire con 855,6 MVA de salida.

4.- La central Guri, también conocida como la central hidroeléctrica Simón Bolívar, se posiciona como la tercera más grande del mundo con una capacidad instalada de 10.235 MW. Las instalaciones se encuentran en el río Caroní, situado en el sudeste de Venezuela. Tiene una altitud promedio de 266 metros y aproximadamente 4250 metros cuadrados.

La central consta de 20 unidades de generación de diferentes capacidades que oscilan entre los 130 MW y los 770 MW. La empresa Alstom fue seleccionada mediante dos contratos en 2007 y 2009 para la renovación de cuatro unidades de 400 MW y cinco de 630 MW, recibiendo Andritz también un contrato para suministrar cinco turbinas Francis de 770MW en 2007. 

5.- El Complejo Hidroeléctrico de Tucuruí localizado en la parte baja del río Tocantins, en Tucuruí, perteneciente al Estado de Pará en Brasil, se coloca como la cuarta central hidroeléctrica más grande en el mundo con sus 8.370 MW. De 78 metros de altura y 12.500 metros de longitud, 12 unidades generadoras con una capacidad de 330MW cada una y dos unidades auxiliares de 25 MW.

La construcción de la segunda fase añadió una nueva central eléctrica que fue iniciada en 1998 y terminada a finales de 2010, en la que se llevó a cabo la instalación de 11 unidades de generación con una capacidad de 370 MW cada una. 

6.- La central hidroeléctrica de mayor tamaño de los Estados Unidos se encuentra junto a la presa Grand Coulee, sobre el río Columbia, en la zona norte del estado de Washington. 

La central de energía hidroeléctrica Grand Coulee, inició su construcción en 1933, su presa tiene 168 metros de altura y 1.592 metros de longitud. Dos de sus plantas constan de un total de 18 turbinas Francis de 125 MW y tres unidades adicionales de 10 MW, operativas desde 1950. La tercera planta comenzó a construirse en 1967, finalizando el proceso final de la implementación de sus seis unidades entre 1975 y 1980, compuestas por tres turbinas de 805 MW y otras tres de 600 MW.

La renovación de las tres unidades de 805 MW de la tercera planta fue iniciada en 2013 y se espera que finalice en septiembre de 2017, mientras que la actualización de las otras tres unidades de 600 MW no se iniciará hasta el año 2018.

7.-Hidroeléctrica de Xiangbang. Su presa tiene una altura máxima de 162 metros y una longitud de coronación de 896,26 metros. La instalación cuenta con ocho turbinas Francis, cuatro con una capacidad de 812 MW y cuatro con un nominal de 800 MW, totalizando una capacidad instalada de 6.448 MW y una generación anual de energía de 30,7 TWh. El primer grupo de turbinas generadoras fue puesto en operación en 2012, y el proyecto se ha completado en 2015

8.-La central hidroeléctrica de Longtan, situada en el río Hongshui en Tiang’e, Con una capacidad instalada de 6.300 MW. Se compone de nueve unidades generadoras Francis de 700 MW y una presa de gravedad de hormigón de 216,5 metros de altura y 832 metros de ancho. Tiene una capacidad anual de generación de 18,7 TWh. La construcción comenzó en mayo de 2007, entrando en servicio la central a pleno rendimiento en 2009. 

9.- Ubicada en el río Yenisei en Rusia. Tiene una presa de 242 metros de altura y 1,066 metros de longitud. Cuenta con 10 unidades generadoras Francis con una capacidad de 640 MW cada una. Generar 23.5 TWh de energía al año, de los cuales el 70% se utiliza en exclusiva para cuatro fundiciones de aluminio en Siberia. En 2009 tuvo un accidente por el cual fue cerrada y se reabrió en 2010

10.- Hidroeléctrica de Krasnoyarsk. Se encuentra a orillas del río Yenisei, en Rusia. Su construcción fue iniciada en 1956 y se finalizó en 1972. Su presa tiene una altura de 124 metros y una longitud de 1,065 metros. Cuenta con 12 unidades generadoras Francis con una capacidad de 500 MW cada una. Anualmente genera 18.4 TWh.

SEN de México y principales fuentes de energía.

La capacidad instalada se integra con todas las formas de generación; las termoeléctricas representan el 44.80% de la generación, en tanto las hidroeléctricas el 22.17%, seguidas de las carboeléctricas que generan el 5.22% del total de la electricidad en el país, mientras que las nucleoeléctricas contribuyen con el 2.74%, con menor capacidad están las Geotermoeléctricas con 1.92% de generación total y las Eoloeléctricas con sólo 0.171%. Un caso especial son los productores independientes que producen un alto porcentaje en relación con las otras formas de generación, ya que aportan el 22.98% de la capacidad instalada, según la misma CFE.
La generación de energía tiene varias fuentes, la primera de ellas y la más antigua son las hidroeléctricas, entre las más importantes por su capacidad de generación se encuentran la de Chicoasén, en Chiapas, Manuel Moreno Torres, que genera 2,400 MW, la del Malpaso en Tecpatán, Chiapas, El Infiernillo, en La Unión, Guerrero, que produce 1,000 MW, le sigue Aguamilpa, en Tepic, Nayarit, la cual es capaz de generar 960 MW. El sistema cuenta también con la Hidroeléctrica Belisario Domínguez, o Angostura, en Chiapas que genera 900 MW, La Hidroeléctrica Leonardo Rodríguez Alcaine, conocida como “El Cajón”, produce actualmente 750 MW desde Santa María del Oro en Nayarit. Otra de gran importancia es la que se encuentra en Choix, en Sonora que lleva el nombre de Luis Donaldo Colosio, conocida también como Huites, la cual genera en su máxima capacidad 422 MW.
Por su parte, las Termoeléctricas más importantes son la de Tuxpan, en Veracruz que tiene 2,200 MW de capacidad de generación de energía eléctrica, la de Tula Hidalgo, que produce 1546 MW, seguida de la de Manzanillo, con 1,200 MW,
Las Geotermoeléctricas tienen menos presencia en el sistema eléctrico nacional, aunque destacan tres unidades de Cerro Prieto en Mexicali, Baja California, produciendo 220 MW y 180 MW, respectivamente.
Las Carboeléctricas sólo son dos, y se ubican en Nava, Coahuila, cada una de las cuales genera 1,200 y 1,400 MW.
Sólo existe una Nucleoeléctrica, la de Laguna Verde en Alto Lucero, Veracruz, y que por sí misma genera 1,365 MW.
Recientemente el gobierno Federal ha hecho énfasis en la necesidad de ir convergiendo hacia la energía alterna, tal como la Eólica, en 1982 fue instalada la Eoloeléctrica Guerrero Negro en Mulegé, Baja California Sur, y en 1994 la Venta en Juchitán, Oaxaca, aunque existe gran diferencia entre una y otra, pues la primera está en un límite muy bajo de producción, en tanto, la segunda produce sólo 85 MW. Existen otras formas de generación como la de ciclo combinado, diésel y otras que generan electricidad en mucha menor proporción que las anteriores.

Como el 44.8% de la energía producida en México es hidroeléctrica, las más representativas son la de Chicoasén en Chiapas, que produce cerca de 2400 MW.

La otra hidroeléctrica que tenemos más representativa es la del Cajón en Nayarit.

También está la Luis Donaldo Colosio en Sonora, que produce 422 MW

Las termoeléctricas más importantes son la de Tuxpan, en Veracruz que tiene 2,200 MW de capacidad de generación de energía eléctrica

Nucleoeléctrica, la de Laguna Verde en Alto Lucero, Veracruz, y que por sí misma genera 1,365 MW.

Principales Leyes en la Electricidad y el magnetismo

El concepto más importante de la electrónica es el de la circulación de la corriente eléctrica, que puede ser explicado claramente mediante la electricidad estática.
Hasta ahora tenemos dos cuerpos cargados eléctricamente. Uno es de material que cede (positivo) y otro de material recibe (negativo).
- Si los unimos con una barra de vidrio los cuerpos permanecerán cargados y entonces decimos que la barra de vidrio es aislante.
- Si los unimos con una barra de cobre los cuerpos se descargarán y entonces decimos que la barra de cobre es conductora.
Es un error considerar que el mismo electrón que sale del cuerpo con exceso de electrones y penetra en la barra conductora, llega al que tiene falta de electrones. En efecto el fenómeno que se produce es un desplazamiento de electrones de átomo en átomo de modo que entra un electrón por una punta de la barra pero el que sale es otro electrón que estaba situado en la otra punta. La carga se desplaza prácticamente a la velocidad de la luz, el electrón lo hace mucho más lentamente.
- En un cuerpo aislante los electrones están fuertemente unidos a su núcleo y es difícil o imposible sacarlos de sus órbitas.
- En un cuerpo conductor los electrones están débilmente unidos a su núcleo, inclusive muchas veces se movilizan y cambia de núcleo en forma casual; aunque siempre que un átomo adquiere un electrón cede otro para mantener la neutralidad.

La unidad práctica de corriente eléctrica es el Coulomb (culombio) y es igual a 6,28 1018 electrones (6 trillones 228.000 electrones) o 6.280.000.000.000.000.000 electrones.
La unidad práctica de corriente eléctrica es el Amper y es igual a un Coulomb por segundo.
Para simplificar la notación se utilizan letras para representar a los diferentes conceptos y unidades. Por ejemplo a la carga siempre se la representa por la letra Q y a su unidad práctica por las letras Cb. La corriente eléctrica se representa por una I y a su unidad por una A.
A la unidad de tiempo se la representa con la “t” minúscula (porque se reserva la T mayúscula para la temperatura) Con estas representaciones se puede escribir que la corriente eléctrica:
I = Q/t
medida en [Cb/Seg] o la unidad equivalente [A].
Las unidades siempre involucran los múltiplos y submúltiplos de las mismas. En electrónica se utilizan por lo general los submúltiplos del A es decir el mA (mili Amper) y el uA (micro Amper) en la siguiente tabla se pueden observar estas equivalencias.

Ley de Gauss

“El flujo eléctrico a través de cualquier superficie cerrada, es igual a la carga neta contenida en el interior de la superficie dividida entre ε”

Para conocer una de las propiedades del campo eléctrico se estudia qué ocurre con el flujo de este al atravesar una superficie. El flujo de un campo  se obtiene de la siguiente manera:

Cuando se obtiene el flujo del campo eléctrico a través de cualquier superficie cerrada que contiene una carga neta Q, el resultado es:

“El flujo eléctrico a través de cualquier superficie cerrada, es igual a la carga neta contenida en el interior de la superficie dividida entre ε”

Una superficie de una esfera, se visualizaría de la siguiente forma:

Ley de Lorentz

La misma situación que crea campos magnéticos (carga en movimiento en una corriente o en un átomo y dipolos magnéticos intrínsecos) son también situaciones en que el campo magnético causa sus efectos creando una fuerza. Cuando una partícula cargada se mueve a través de un campo magnético B, se ejerce una fuerza F dado por el producto cruz:

Donde F es la fuerza magnética, v es la velocidad y B el campo magnético, también llamado inducción magnética y densidad de flujo magnético. (Nótese que tanto F como v y B son magnitudes vectoriales y el producto vectorial tiene como resultante un vector perpendicular tanto a v como a B).

Ley de Ampere:

La ley de Ampere también es útil para el cálculo de campos magnéticos creados por determinadas distribuciones de corriente. La ley de Ampere dice:

"La circulación de un campo magnético a lo largo de una línea cerrada es igual al producto de   por la intensidad neta que atraviesa el área limitada por la trayectoria".

Que podemos expresar tal y como se muestra en la Ecuación:

Donde μ0 es la densidad de corriente.

Tenemos que tener en cuenta que esto se cumple siempre y cuando las corrientes sean continuas. 

Ley de Maxwell

Se ha visto en la ley de Ampere que:

“La circulación de un campo magnético a lo largo de una línea cerrada es igual al producto de  por la intensidad neta que atraviesa el área limitada por la trayectoria”.

También habíamos dicho que esto se cumplía siempre y cuando las corrientes fuesen continuas.

Maxwell demostró que esta ley se podía generalizar sin excepciones, incluyendo las corrientes discontinuas. Para ello introdujo lo que llamó corrientes de desplazamiento de Maxwell.

Entonces de forma generalizada, la ley de Ampere queda

Ley de Lorentz
La misma situación que crea campos magnéticos (carga en movimiento en una corriente o en un átomo y dipolos magnéticos intrínsecos) son también situaciones en que el campo magnético causa sus efectos creando una fuerza. Cuando una partícula cargada se mueve a través de un campo magnético B, se ejerce una fuerza F dado por el producto cruz:

Donde F es la fuerza magnética, v es la velocidad y B el campo magnético, también llamado inducción magnética y densidad de flujo magnético. (Nótese que tanto F como v y B son magnitudes vectoriales y el producto vectorial tiene como resultante un vector perpendicular tanto a v como a B).

Ley de Faraday

“La fuerza electromotriz inducida es igual a la variación de flujo magnético por unidad de tiempo”

Matemáticamente esta ley se expresa así:

Donde R es la resistencia del circuito, en este caso, la resistencia será la obtenida en el circuito formado por el galvanómetro y la espira.

Principio de Lenz

En 1834, el físico alemán Lenz realiza los mismos experimentos que Faraday y Henry. Lenz explica el sentido de la fuerza electromotriz y en consecuencia el de la corriente inducida en un circuito sujeto a un flujo magnético variable en el tiempo. 

El sentido de la corriente inducida se puede determinar fácilmente aplicando la regla enunciada por Lenz. Dicho enunciado es el siguiente:

“El sentido de una corriente inducida debe ser tal que se oponga a la corriente que la produce”.

Características de la CA y CD

La corriente alterna (CA) y la corriente continua (CC) comparten algunas características. Ambas están compuestos de cargas en movimiento y son vitales para los circuitos y dispositivos electrónicos. Sin embargo, se generan de manera diferente y se comportan de manera diferente. Las CA son sinusoidales y provienen de generadores de corriente alterna. Las ondas de la CC son constantes en el tiempo y provienen de fuentes como baterías o generadores de corriente continua. Estas diferencias entre ellas afectan al papel que tienen en los circuitos.
La corriente continua tiene un flujo continuo que se mueve en una sola dirección y son constantes en el tiempo. Su aspecto es el de una línea recta que no varía. Se produce a partir de fuentes de energía, las baterías, fuentes de alimentación y generadores de corriente continua. Los dispositivos fotovoltáicos como las células solares también generan energía CC.
La corriente alterna cambia de dirección, fluye primero hacia un lado y luego hacia el otro. Son ondas sinusoidales, de manera que varían en el tiempo. La corriente alterna está producida a partir de fuentes de alimentación y generadores de corriente alterna. En América del Norte, la corriente alterna es de 120 voltios y 60 Hertz o ciclos por segundo. Esto significa que cambia de dirección 60 veces por segundo. En Europa, generalmente es 50 Hertz con 220 a 240 voltios.

Histéresis

La histéresis es la tendencia de un material a conservar una de sus propiedades, en ausencia del estímulo que la ha generado. Podemos encontrar diferentes manifestaciones de este fenómeno. Por extensión se aplica a fenómenos que no dependen sólo de las circunstancias actuales, sino también de cómo se ha llegado a esas circunstancias.

Cuando se magnetiza en una dirección un material ferromagnético, no vuelve de nuevo a magnetización cero cuando cesa el campo magnético impulsor. Debe ser impulsado hacia atrás de nuevo a cero mediante un campo con dirección opuesta. Si se aplica al material un campo magnético alterno, su magnetización trazará un bucle llamado ciclo de histéresis.
La falta de trazabilidad de la curva de magnetización es la propiedad llamada histéresis y se relaciona con la existencia de dominios magnéticos en el material. Una vez que los dominios magnéticos se reorientan, se necesita un poco de energía para volverlo de nuevo hacia atrás. Esta característica de los materiales ferromagnéticos es de utilidad como "memoria magnética". Algunas composiciones de materiales ferromagnéticos, retienen la magnetización impuesta indefinidamente, y son útiles como "imanes permanentes".
Las características de memoria magnéticas de los óxidos de hierro y cromo, lo hacen útiles para la grabación de cintas y para el almacenamiento magnético de datos en discos de ordenador.

Coercitividad y Remanencia en los Imanes Permanentes
Un buen imán permanente, debe producir un alto campo magnético con una masa baja, y debería ser estable frente a las influencias que pudiera desmagnetizar. Las propiedades deseables de tales imanes se expresan normalmente en términos de remanencia y coercitividad de los materiales magnéticos.
Cuando se magnetiza en una dirección un material ferromagnético, no vuelve de nuevo a magnetización cero cuando cesa el campo magnético impulsor. La cantidad de magnetización que retiene cuando no hay campo impulsor, se llama remanencia. Debe ser impulsado hacia atrás de nuevo a cero mediante un campo con dirección opuesta; la cantidad de campo inverso necesario para desmagnetizar se llama coercitividad. Si se aplica al material un campo magnético alterno, su magnetización trazará un bucle llamado ciclo de histéresis. La falta de trazabilidad de la curva de magnetización es la propiedad llamada histéresis y se relaciona con la existencia de dominios magnéticos en el material. Una vez que los dominios magnéticos se reorientan, se necesita un poco de energía para volverlo de nuevo hacia atrás. Esta característica de los materiales ferromagnéticos es de utilidad como "memoria magnética". Algunas composiciones de materiales ferromagnéticos, retienen la magnetización impuesta indefinidamente, y son útiles como "imanes permanentes".
La tabla de abajo contiene algunos datos sobre los materiales usados como imanes permanentes. Ambas la coercitividad y la remanencia están expresadas en Tesla, la unidad básica de campo magnético B. El ciclo de histéresis de arriba está dibujado en forma de cantidad de magnetización Como función de la intensidad de campo magnético H impulsor. Normalmente se sigue esta práctica porque muestra la influencia impulsora externa (H) sobre el eje horizontal, y la respuesta del material (M) sobre el eje vertical. Además de la coercitividad y la remanencia, un factor de calidad de los imanes permanentes es la cantidad (BB0/μ0)max. Un valor alto de esta cantidad, implica que el flujo magnético requerido se puede obtener con un menor volumen del material, haciendo el dispositivo más ligero y compacto.

Las aleaciones con la que se fabrican los imanes permanentes, son a menudo muy difíciles de manejar metalurgicamente. Son mecánicamente duros y quebradizos. Pueden ser fundido y luego moldeado o incluso picado en forma de polvo y darle forma. A partir del polvo, pueden ser mezclados con aglutinantes de resina y luego comprimido y tratado con calor. Es deseable la máxima anisotropía del material, por lo que a tal fin, los materiales son a menudo sometidos a tratamiento térmico en presencia de un fuerte campo magnético.
Los materiales con alta remanencia y alta coercitividad de los que se hacen los imanes permanentes, a veces se dice que son "magnéticamente duros", para contrastarlo con los materiales "magnéticamente blandos", con los que se hacen los núcleos de transformadores y bobinas electrónicas.

Materiales ferromagnéticos

Los materiales ferromagnéticos, compuestos de hierro y sus aleaciones con cobalto, tungsteno, níquel, aluminio y otros metales, son los materiales magnéticos más comunes y se utilizan para el diseño y constitución de núcleos de los transformadores y maquinas eléctricas. En un transformador se usan para maximizar el acoplamiento entre los devanados, así como para disminuir la corriente de excitación necesaria para la operación del transformador. En las maquinas eléctricas se usan los materiales ferromagnéticos para dar forma a los campos, de modo que se logren hacer máximas las características de producción de par.
Estos materiales han evolucionado mucho con el paso del tiempo lo que implica mas eficiencia, reducción de volúmenes y costo, en el diseño de transformadores y maquinas eléctricas.
Los materiales ferromagnéticos poseen las siguientes propiedades y características que se detallan a continuación.
Propiedades de los materiales ferromagnéticos.
Aparece una gran inducción magnética al aplicarle un campo magnético.
Permiten concentrar con facilidad líneas de campo magnético, acumulando densidad de flujo magnético elevado.
Se utilizan estos materiales para delimitar y dirigir a los campos magnéticos en trayectorias bien definidas.
Permite que las maquinas eléctricas tengan volúmenes razonables y costos menos excesivos.
Características de los materiales ferromagnéticos.
Los materiales ferromagnéticos se caracterizan por uno o varios de los siguientes atributos:
Pueden imanarse mucho más fácilmente que los demás materiales. Esta característica viene indicada por una gran permeabilidad relativa m /m r.
Tienen una inducción magnética intrínseca máxima Bmax muy elevada.
Se imanan con una facilidad muy diferente según sea el valor del campo magnético. Este atributo lleva una relación no lineal entre los módulos de inducción magnética(B) y campo magnético.
Un aumento del campo magnético les origina una variación de flujo diferente de la variación que originaria una disminución igual de campo magnético. Este atributo indica que las relaciones que expresan la inducción magnética y la permeabilidad (m ) como funciones del campo magnético, no son lineales ni uniformes.
Conservan la imanación cuando se suprime el campo.
Tienden a oponerse a la inversión del sentido de la imanación una vez imanados.
Materiales ferromagnéticos para transformadores:
La aleación ferromagnética más utilizada para el diseño de núcleos de transformadores es la aleación hierro-silicio, esta aleación es la producida en mayor cantidad y esta compuesta por hierro esencialmente puro con 1-6% de silicio, dependiendo este porcentaje del fin a que se destine el material. Dando a esta aleación un tratamiento térmico adecuado, se obtiene un material que comparado con el hierro, tiene mejores propiedades magnéticas para campos magnéticos débiles, una resistividad mayor y sufren perdidas totales menores en el núcleo. Esta aleación se lamina en chapas y flejes, principalmente de espesores comprendidos entre 0,35 y 0,635 mm recocidos; en el lenguaje corriente se le conoce con el nombre de acero al silicio o Chapa magnética.
Las chapas de mejor calidad presentan mayor contenido en silicio, entre el 4 y el 5. El silicio eleva la dureza del material, por lo que su porcentaje se determina según el empleo al que se designa la chapa. Para maquinas rotatorias el limite superior es aproximadamente del 4%, teniendo en cuenta el peligro de la fragilidad. También se prefieren chapas de menor contenido de silicio cuando las densidades de funcionamiento son elevadas o cuando se desea una elevada conductividad calorífica. Las perdidas en el núcleo y el coeficiente de envejecimiento aumentan al disminuir el contenido de silicio.
La fabricación de la chapa magnética ha llegado a estar normalizada en considerable extensión por lo que los datos magnéticos publicados por diversos fabricantes no se diferencian, calidad por calidad, excesivamente.
Aislamiento interlaminar
El aislamiento interlaminar se consigue formando una capa de óxido natural sobre la superficie de la chapa magnética laminada plana o aplicando un revestimiento superficial. Evidentemente este tratamiento no reduce las corrientes parásitas en el interior de las chapas. Generalmente se consigue una mejora en la resistencia entre chapas recociendo la chapa bajo condiciones ligeramente oxidantes que aumentan el espesor del óxido superficial y cortando entonces las formas acabadas para los núcleos.
Los revestimientos o acabados de aislamiento pueden clasificarse ampliamente en orgánicos o inorgánicos:
a) El aislamiento orgánico consiste, en general, en esmaltes o barnices que se aplican a la superficie del acero para proporcionar una resistencia interlaminar.
La chapa magnética laminada plana con revestimiento de tipo orgánico no puede recibir un recocido de distensión sin perjudicar el valor aislante de la capa. Esta, sin embargo, resiste las temperaturas de funcionamiento normales. Algunos aislamientos orgánicos son apropiados sólo en núcleos refrigerados por aire, mientras que otros pueden ser apropiados para núcleos de transformadores tanto del tipo refrigerado por aire como los de baño de aceite. El espesor de este tipo de aislamiento es de aproximadamente de 2,5 m m.
b) El aislamiento inorgánico se caracteriza, en general, por una elevada resistencia y por la capacidad de resistir las temperaturas necesarias para el recocido de distensión. Esta ideado para núcleos de transformadores refrigerados por aire o en baño de aceite.

Diferencias entre Pararrayos y DPS (apartarrayos)

Pararrayos.
Descripción: pararrayos es un instrumento cuyo objetivo es ionizar el aire circundante para atraer un rayo. Al incidir el rayo sobre el pararrayos, este dirige la energía hacia el sistema de puesta a tierra (SPT) por medio de las bajadas.
Objetivo: evitar que el rayo cause daños a construcciones o personas.
Clases o categorías: existen 2 tipos de pararrayos: ionizantes pasivos o semiactivos.
Los pararrayos ionizantes pasivos son las puntas simples o Franklin (PSF).

Los pararrayos semiactivos son los pararrayos con dispositivo de cebado (PDC).

DPS o SPD o Apartarrayos.
Descripción: El DPS (dispositivo de protección contra sobretensiones) es un dispositivo que su principal elemento activo son los varistores de óxido metálico cuya característica principal es su no linealidad. Cuando está trabajando a voltaje nominal, la corriente que fluye a través de este es de aproximadamente 1 mA. A medida que el voltaje aumenta, su resistencia disminuye drásticamente, permitiendo que fluya más corriente y que la energía del sobrevoltaje se drene a tierra.
 Objetivo: el apartarrayos es un dispositivo que nos sirve para eliminar sobrevoltajes transitorios de las líneas de distribución eléctrica. Estos sobrevoltajes se producen por descargas atmosféricas sobre las líneas o por cambios repentinos en las condiciones del sistema (como operaciones de apertura/cierre, fallas, cierre de cargas, etc.).
de acuerdo a la NOM-022-STPS-2008, Electricidad estática en los centros de trabajo-Condiciones de seguridad, es mandatorio de acuerdo a su requisito 7.6 que las zonas donde se almacenen, manejen o transporten sustancias inflamables o explosivas, deben estar protegidas con sistemas de pararrayos.
El apartarrayos se conecta entre línea y tierra, consiste básicamente de elementos resistores en serie con gaps o explosores. Los elementos resistores ofrecen una resistencia no lineal, de manera tal que para voltajes a la frecuencia normal del sistema la resistencia es alta y para descargar corrientes la resistencia es baja.

EL ROTOR: Es la parte giratoria y el inducido en los motores de inducción. Está formado por: • Circuito magnético: constituido por chapas de hierro aleado al silicio, asiladas entre sí con Carlite, para reducir las pérdidas por corrientes parásitas. • Circuito eléctrico: En función de la forma constructiva se tienen dos tipos, los de rotor de jaula de ardilla y los de rotor bobinado
Rotor de jaula de ardilla:
La forma del devanado es realmente peculiar. Los conductores del rotor son barras de cobre o aluminio, cortocircuitadas en sus extremos mediante anillos, que también son de cobre o aluminio. El conjunto forma una estructura que recuerda a una "jaula de ardilla", de ahí su nombre. La jaula a su vez se encuentra embebida en la masa ferromagnética del rotor, que dispone de ranuras para alojar las barras.

Se observa que el rotor de jaula de ardilla, no presenta conexiones eléctricas con el exterior dado que los extremos de estas barras están cortocircuitados, las barras pueden ser instaladas de forma paralela o no al eje del rotor lo cual puede mejorar las características de arranque y disminuir el ruido. 

Entre las ventajas se tienen: 

1. Costo inicial bajo. 

2. Su rotor es de construcción simple. 

3. Es compacto y sus instalaciones ocupan poco espacio. 

4. No producen chispas que puedan provocar incendios. 

5. Lleva poco equipo de control, ya que no necesita control en el rotor. 

Entre las desventajas se tienen: 

1) Su corriente de arranque es relativamente alta. 

2) El par de arranque es fijo.

Rotor bobinado o devanado:

Ante todo se debe saber que este tipo de rotores está actualmente extinguiéndose y que el 95 % de los motores de inducción son actualmente de jaula de ardilla. Sin embargo no está de más que "suene", por si acaso se encuentra con alguno (improbable). La principal diferencia con el motor jaula de ardilla es que los conductores ya no son barras de aluminio o cobre sino que provienen de un devanado trifásico, similar a los devanados del estator, es importante resaltar que el número de fases del rotor no tiene por qué ser el mismo que el del estator, lo que si tiene que ser igual es el número de polos. Un extremo de cada devanado se conecta en estrella y el otro se conecta con el exterior mediante tres anillos que rozan con tres escobillas. En motores de rotor bobinado de gran potencia, se conectan durante el arranque resistencias al rotor, para aumentar el par de arranque, que posteriormente se cortocircuitan. En vista de estas conexiones y del rozamiento anillos-escobillas, estos motores necesitan un mantenimiento del que carecen los de jaula.

Algunas características del rotor bobinado o devanado son: 

1. En ellas se puede desarrollar un alto par de arranque con corriente de arranque baja y además pueden operar a plena carga con pequeño deslizamiento y con eficiencia. 

2. Se puede cambiar el deslizamiento, cambiando la resistencia del rotor.

Máquinas de corriente directa

Una máquina de corriente continua (generador o motor) se compone principalmente de dos partes. El estator da soporte mecánico al aparato y contiene los devanados principales de la máquina, conocidos también con el nombre de polos, que pueden ser de imanes permanentes o devanados con hilo de cobre sobre núcleo de hierro. El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, alimentado con corriente directa mediante escobillas fijas (conocidas también como carbones).
El principal inconveniente de estas máquinas es el mantenimiento, muy caro y laborioso, debido principalmente al desgaste que sufren las escobillas al entrar en contacto con las delgas.
Algunas aplicaciones especiales de estos motores son los motores lineales, cuando ejercen tracción sobre un riel, o bien los motores de imanes permanentes. Los motores de corriente continua (CC) también se utilizan en la construcción de servomotores y motores paso a paso. Además existen motores de CD sin escobillas.

Funcionamiento
Según la ley de Fuerza simplificada, cuando un conductor por el que pasa una corriente eléctrica se sumerge en un campo magnético, el conductor sufre una fuerza perpendicular al plano formado por el campo magnético y la corriente, siguiendo la regla de la mano derecha. Es importante recordar que para un generador se usará la regla de la mano derecha mientras que para un motor se usará la regla de la mano izquierda para calcular el sentido de la fuerza.

F=BiL

F: Fuerza en newtons
i: Intensidad que recorre el conductor en amperios
L: Longitud del conductor en metros

B: Densidad de campo magnético o densidad de flujo teslas

Estructura

Estator: Formado por una corona de material ferromagnético denominada culata o yugo en cuyo interior, regularmente distribuidos y en número par, van dispuestos unos salientes radiales con una expansión en su extremo, denominados polos, sujetos por tornillos a la culata. Rodeando los polos, se hallan unas bobinas de hilo, o pletina de cobre aislado, cuya misión es, al ser alimentadas por corriente continua, crear el campo magnético inductor de la máquina, el cual presentará alternativamente polaridades norte y sur. Salvo las máquinas de potencia reducida, en general de menos de 1 kW, encontramos también en el estator, alternando los polos antes citados, otros llamados polos  de conmutación.
Rotor: Formado por una columna de material ferromagnético, a base de chapas de hierro, aisladas unas de las otras por una capa de barniz o de óxido.  La corona de chapa magnética presenta en su superficie externa un ranurado donde se aloja el devanado inducido de la máquina. Este devanado está constituido por bobinas de hilo o de pletina de cobre convenientemente aislados, cerrado sobre sí mismo al conectar el final de la última bobina con el principio de la primera.
Colector: Constituido esencialmente por piezas planas de cobre duro de sección trapezoidal, llamadas delgas, separadas y aisladas unas de otras por delgadas láminas de mica, formando el conjunto un tubo cilíndrico aprisionado fuertemente. El colector tiene tantas delgas como bobinas posee el devanado inducido de la máquina.
Escobillas: dispuestas en los portaescobillas, de bronce o latón, que retienen las escobillas que establecerán el enlace eléctrico entre las delgas y el colector y el circuito de corriente continua exterior.

Tipos de pérdidas en la máquina de CD
PÉRDIDAS ELÉCTRICAS. Se presenta una pequeña pérdida de voltaje originada por una  resistencia en el circuito de armadura, y que se reparte en los siguientes elementos:
-Embobinado de armadura.
-Conmutador.
-Superficie de contacto conmutador-escobillas.
-Escobillas.
-Embobinado interpolar.
-Embobinado de excitación en serie (para máquinas serie y compuestas).
PÉRDIDAS MECÁNICAS. Las pérdidas mecánicas se deben a dos factores: La fricción y la ventilación.
La fricción se presenta en los apoyos de la flecha (o cojinetes) y en la superficie de contacto conmutador-escobillas. En los apoyos tiene un valor relativamente alto cuando son de tipo chumacera, en cambio adquiere valores reducidos si son de tipo rodamientos. En el conmutador no es fácil reducir la fricción, ya que ahí se requiere un buen contacto que no acarree más pérdidas de las necesarias en la resistencia del circuito de armadura. Pequeñas inclusiones de grafito en las escobillas logran una lubricación adecuada sin impedir un buen contacto.
El parámetro que servirá para evaluar las pérdidas será el par de fricción, cuyo sentido es siempre, opuesto a la dirección de rotación. Generalmente se trata de fricción viscosa debido a la lubricación, y por tanto el par de fricción es una función de la velocidad.
Las pérdidas por ventilación se presentan en aquellas maquinas que tienen un ventilador interno para ayudar al enfriamiento. También se evalúan por su par de oposición y éste es función de la velocidad.
PÉRDIDAS MAGNÉTICAS. Las pérdidas magnéticas también se manifiestan por un par en oposición al sentido de rotación y tienen dos componentes que son la histéresis y las corrientes parásitas.

PÉRDIDAS ROTACIONALES. Tanto las pérdidas mecánicas como las magnéticas se manifiestan como pares de oposición al movimiento y solo cuando hay rotación. Por estas razones, las agruparemos con el nombre de pérdidas rotacionales Tr.

Devanados
El objetivo del devanado de estator es producir un campo en el entrehierro, constante en el tiempo y fijo en el espacio.

Devanado del estator = devanado de campo. El devanado es del tipo concentrado, es decir que únicamente está formado por un paquete (bobina) constituido por "n" espiras.

Bobinados de un estator de una máquina de 2 polos

Circuito equivalente del estator

Forma de onda en el tiempo producida por una máquina de 4 polos

El sentido de la corriente de estos bobinados deben ser de tal forma que origine polos alternados, en una maquina bipolar los polos están diametralmente opuestos.

Devanados del rotor

Las espiras del rotor se pueden conectar de diferentes maneras a las delgas del colector. La forma como se conecten determina el número de ramas en paralelo en que se divide la corriente del rotor, las magnitudes del voltaje final de salida y la cantidad y ubicación de las escobillas.

La mayoría de los arrollamientos de los rotores están conformados por bobinas hexagonales que se colocan en las ranuras del rotor. Cada bobina consta de un cierto número de vueltas (espiras) de alambre, cada una aislada de las demás. Cada uno de los lados de una espira se denomina un conductor. El número total de conductores en la armadura de una máquina está dado por:

Z = 2 C Nc

Dónde:

Z : # de conductores del rotor

C : # de bobinas del rotor

Nc: # de espiras de una bobina

Conexión del bobinado al colector

Normalmente una bobina abarca 180 grados eléctricos. Esto significa que cuando un lado de la bobina está frente al centro de un polo, el otro lado está frente al centro del polo de polaridad contraria. Los polos físicos pueden encontrarse separados por una distancia diferente de 180 grados mecánicos, pero el campo magnético invierte su polaridad de un polo al siguiente.

Si una bobina abarca 180 grados eléctricos, los voltajes en los conductores de los dos lados de la bobina tendrán exactamente la misma magnitud y sentido opuesto en todo momento. Esta bobina se llama bobina de paso diametral o de paso total.

En algunos casos las bobinas tienen menos de 180 grados eléctricos. Entonces se llaman bobinas de paso fraccionario, y el devanado del rotor que tenga estas bobinas se llama devanado de cuerda. El nivel de acortamiento de un devanado se puede describir mediante el factor de paso o factor de ancho de bobina, que está definido por la ecuación.

Con frecuencia se emplean, en máquinas de cc, los devanados con un pequeño acortamiento en el paso de bobina para mejorar la conmutación.

C. Tipos de devanado del rotor

Los inducidos generalmente tienen 2 tipos de arrollamientos o devanados; el imbricado y el ondulado.

Para que el colector cumpla su función los arrollamientos de los inducidos de las máquinas de c.c debe ser tal que partiendo de un punto, recorremos toda la periferia del rotor (a través de las espiras) llegaremos al punto de partida.

La fem inducida en la bobina es mayor cuando el ancho de bobina es igual al paso polar (paso entero). Por esta razón el ancho de bobina se hace igual o prácticamente igual al paso polar. Además todos los elementos del devanado deben conectarse entre sí de tal manera que las f.e.m. de cada elemento se sumen, caso contrario la maquina simplemente no funciona.

Que las f.e.m. de los elementos se sumen se consigue conectando la salida de un elemento con la entrada del siguiente elemento ubicados en polos opuestos o de distinta polaridad.

1) Devanado imbricado

En este tipo de devanados sus 2 extremos están conectados a 2 delgas adyacentes. Si el extremo final de la bobina se conecta a la delga siguiente se tiene un devanado imbricado progresivo Yc=1, si el extremo final se conecta a la delga anterior se tiene un devanado imbricado regresivo Yc=-1

Bobina de un devanado progresivo

(b) Bobina de un devanado regresivo

Un aspecto interesante del devanado imbricado simple es que tiene tantas ramas en paralelo como polos tenga la máquina, este hecho hace que el devanado imbricado resulte bastante favorable para máquinas de bajo voltaje y alta corriente.

P: # de polos de la maquina

k: # delgas del colector; # de ranuras

Arrollamiento progresivo máquina de 4 polos

Diagrama del devanado imbricado del rotor

2) Devanado ondulado

El devanado ondulado o serie es otra manera de conectar las bobinas a las delgas del colector, en este arrollamiento el final de la segunda bobina se conecta a una delga adyacente donde comenzó la primera. Es decir entre dos delgas adyacentes hay 2 bobinas en serie cada una de las cuales tiene un lado frente a

un polo. El Voltaje final es la suma de los voltajes inducidos frente a cada polo y no puede haber desequilibrio de tensión.

Si la conexión se hace a la delga siguiente el devanado es progresivo si se hace a la delga anterior el devanado es regresivo. En general si la maquina tiene "P" polos hay P/2 bobinas en serie entre delgas adyacentes.

Se usan en voltajes elevados.

c: # de bobinas del rotor (+) Progresivo; (-) Regresivo

P: # de polos de la maquina

Devanado ondulado del rotor

Diagrama del devanado ondulado del rotor

Tipos de excitación en generadores

Generador con excitación independiente

En este tipo de generador, la tensión en los bornes es casi independiente de la carga de la máquina y de su velocidad, ya que la tensión se puede regular por medio del reóstato de campo, aunque naturalmente, dentro de ciertos límites, porque la excitación del campo inductor no puede aumentar más allá de lo que permite la saturación.

En la Figura anterior se representa el esquema de conexiones completo de un generador de corriente continua con excitación independiente; se supone que el sentido de giro de la máquina es a derechas lo que, por otro lado, es el que corresponde a casi todas las máquinas motrices. Si hubiere que cambiar el sentido de giro, bastará con cambiar, las conexiones del circuito principal.En este tipo de generador, la tensión en los bornes es casi independiente de la carga de la máquina y de su velocidad, ya que la tensión se puede regular por medio del reóstato de campo, aunque naturalmente, dentro de ciertos límites, porque la excitación del campo inductor no puede aumentar más allá de lo que permite la saturación.

Generador con excitación en paralelo (shunt)

El generador con excitación shunt suministra energía eléctrica a una tensión aproximadamente constante, cualquiera que sea la carga, aunque no tan constante como en el caso del generador con excitación independiente. Cuando el circuito exterior está abierto, la máquina tiene excitación máxima porque toda la corriente producida se destina a la alimentación del circuito de excitación; por lo tanto, la tensión en bornes es máxima. Cuando el circuito exterior está cortocircuitado, casi toda la corriente producida pasa por el circuito del inducido y la excitación es mínima, la tensión disminuye rápidamente y la carga se anula. Por lo tanto, un cortocircuito en la línea no compromete la máquina, que se desexcita automáticamente, dejando de producir corriente. Esto es una ventaja sobre el generador de excitación independiente en donde un cortocircuito en línea puede producir graves averías en la máquina al no existir éste efecto de desexcitación automática.

Respecto a los generadores de excitación independiente, los generadores shunt presentan el inconveniente de que no pueden excitarse si no están en movimiento, ya que la excitación procede de la misma máquina.

El circuito de excitación no lleva fusibles por las razones ya indicadas en el caso del generador de excitación independiente; en este circuito no es necesario un interruptor porque para excitar la máquina simplemente hay que ponerla en marcha y para desexcitarla no hay más que pararla. El amperímetro en el circuito de excitación puede también suprimirse, aunque resulta conveniente su instalación para comprobar si, por alguna avería, el generador absorbe una corriente de excitación distinta de la normal.

Cuando se dispone permanentemente de tensión en las barras especiales generales, muchas veces se prefiere tomar la corriente de excitación de éstas barras y no de las escobillas del generador, es decir, si al poner en marcha el generador hay tensión en las barras generales, la máquina se comporta como generador de excitación independiente; si no hay tensión, como generador shunt.

Para la puesta en marcha, debe cuidarse de que el interruptor general esté abierto y que el reóstato de campo tiene todas las resistencias intercaladas en el circuito. En estas condiciones, se pone en marcha la máquina motriz, aumentando paulatinamente su velocidad hasta que éste alcance su valor nominal, al mismo tiempo, aumenta la corriente de excitación y, por lo tanto, la tensión en los bornes del generador lo que indicará el voltímetro.

Los generadores shunt se recomiendan cuando no haya cambios frecuentes y considerables de carga o bien cuando haya elementos compensadores, tales como generadores auxiliares, baterías de acumuladores, entre otros.

Generador con excitación compound
El generador con excitación compound tiene la propiedad de que puede trabajar a una tensión prácticamente constante, es decir, casi independiente de la carga conectada a la red, debido a que por la acción del arrollamiento shunt la corriente de excitación tiende a disminuir al aumentar la carga, mientras que la acción del arrollamiento serie es contraria, o sea, que la corriente de excitación tiende a aumentar cuando aumente la carga. Eligiendo convenientemente ambos arrollamientos puede conseguirse que se equilibren sus efectos siendo la acción conjunta una tensión constante cualquiera que sea la carga. Incluso, se puede obtener dimensionando convenientemente el arrollamiento serie, que la tensión en bornes aumente si aumenta la carga, conexión que se denomina hipercompound y que permite compensar la pérdida de tensión en la red, de forma que la tensión permanezca constante en los puntos de consumo.
El generador compound tiene la ventaja, respecto al generador shunt, de que no disminuye su tensión con la carga, y, además, que puede excitarse aunque no esté acoplado al circuito exterior, tal como vimos que sucedía en el generador shunt. Durante la puesta en marcha, funciona como un generador shunt una vez conectado a la red, la tensión en bornes del generador shunt, tendería a disminuir si no fuera por la acción del arrollamiento serie, que compensa esta tendencia. Es decir, que el arrollamiento serie sirve para regular la tensión del generador, en el caso de que la resistencia exterior descienda más allá de cierto límite.

Generador con excitación en serie
El devanado inductor se conecta en serie con el inducido, de tal forma que toda la corriente que el generador suministra a la carga fluye por igual por ambos devanados. Dado que la corriente que atraviesa al devanado inductor es elevada, se construye con pocas espiras de gran sección.
Tiene el inconveniente de no excitarse al trabajar en vacío. Así mismo se muestra muy inestable por aumentar la tensión en bornes al hacerlo la carga, por lo que resulta poco útil para la generación de energía eléctrica. Para la puesta en marcha es necesario que el circuito exterior esté cerrado.

La excitación de un generador en serie se lleva a cabo cuando los devanados de excitación y del inducido se conectan en serie y, por lo tanto la corriente que atraviesa el inducido en este tipo de generador es la misma que la que atraviesa la excitación. Este último devanado, está constituido por pocas espiras con hilo conductor de gran sección, pues la f.e.m. necesaria para producir el campo principal se consigue con fuertes corrientes y pocas espiras.