Electromagnetismo: Leyes y unidades magnéticas

1. Establecer las relaciones entre corriente eléctrica y campos magnéticos: definir fuerza magnetomotriz (fmm) y sus unidades (Amp-vuelta ,o Gilbert)..

Relación entre corriente eléctrica y campo magnético. Una forma de entender esta relación es por medio de un ejemplo, que fue lo que logró percibir Oersted en 1819, cuando observó que al acercar una aguja imantada a un conductor eléctrico aislado por el cual se está conduciendo una corriente observó que la aguja apuntaba hacia el campo magnético que se estaba creado en el conductor por acción de la corriente eléctrica, también observó que la aguja siempre se pone perpendicular a la corriente. En cualquier dirección que se coloque la aguja siempre va a indicar hacia el conductor. Si se llega a invertir la dirección de la corriente en el conductor, la dirección en la cual deflexiona la aguja será opuesta a la anterior, mostrando que el sentido de este campo magnético depende del sentido de la corriente.

Con lo anterior se demostró que hay una relación perfectamente definida entre la dirección de la corriente en un conductor y la dirección del campo magnético alrededor del mismo. Se crea entonces una regla de la mano derecha, la cual con solo colocar el dedo pulgar en la dirección de la corriente eléctrica por el conductor y envolviendo con los demás dedos el conductor, en ese sentido que se cerraron los dedos va a indicar la dirección de las líneas de flujo.

Se entiende entonces que siempre que por un conductor se permita el paso de una corriente eléctrica, esta generará un campo magnético alrededor de este.

Atreves de la ilustración del ejemplo es clara la relación de la corriente eléctrica y el campo magnético, con el fenómeno que demostró Oersted. Ahora enfocándonos un poco más en la parte científico matemática, la receta que gobierna la creación del campo magnético a través de una corriente es la ley de Ampere:

• Donde H es la intensidad del Campo Magnético que en unidades SI se define como Amperes-Vuelta/metro

• I es la corriente en Amperes

Esta relación que existe entre corriente eléctrica y campo magnético es un fenómeno muy popular que permite el funcionamiento de muchos dispositivos utilizados hoy en día por el hombre como:

• Transformadores, con el cambio de nivel de tensión dependiendo de la acción del campo magnético (AC - DC)

• Motor, por medio de la conducción de corriente en presencia de un campo magnético este experimenta una fuerza inducida

• Generador, de la misma forma si un conductor se adapta a un campo magnético producimos corriente con ciertas condiciones.

Así que como regla general la inducción de una fuerza en un alambre conductor que porta corriente en presencia de un campo magnético es la base de la acción motriz relacionado atreves de:

La fuerza magneto motriz (fmm) se define como el producto del número de espiras N multiplicado por la corriente que se le este induciendo al conductor, sus unidades estan en [amp-vuelta] o [Gilbert.

Una fuerza magneto motriz la podemos encontrar en un circuito magnético, que no es más que un circuito cerrado de un material ferromangetico con un arrollamiento por el cual circula una corriente. Esta ultima crea un flujo en el anillo cuyo valor viene dado por:

• Donde Φ es el flujo magnético

• F la fuerza magneto motriz y

• R la reluctancia.

Definición de Gilbert: Unidad de fuerza magneto motriz en el sistema CGS, que corresponde a la imprescindible para hacer pasar un flujo de un weber en una reluctancia de un cersted.

El gilbert es igual a 1,256637061435916 ampere vuelta.

Como unidad práctica se utiliza decigilbert.

2. INTENSIDAD DE CAMPO MAGNÉTICO (H):

Para entender este punto es necesario definir campo magnético. Todo imán ya sea permanente o electroimán tiene dos regiones que se conocen como polos, del polo positivo se emanan líneas de fuerza o de inducción, que vuelven a ingresar al imán pero esta vez por el polo opuesto o negativo. a esta región del espacio en el cual la fuerzas en cuestión se extienden, y el conjunto de ellas hasta donde llega un efecto apreciable, recibe el nombre de campo magnético.

El número total de líneas de inducción en una región dada se llama flujo magnético, cuya unidad es el maxwell, y a la de densidad de flujo es el Gauss, que es igual a 1 maxwell por cm2 medido en un plano perpendicular a la dirección del campo.

Se dice entonces que la densidad de flujo es proporcional a la intensidad del campo magnético, con lo que se puede expresar que la fuerza que actúa sobre un polo situado en un punto determinado del campo es proporcional a la densidad de líneas en el mismo. La fuerza con que actúa el campo sobre la unidad de masa o polo se define como intensidad de campo, y en el sistema CGS es la que actúa sobre dicha unidad de masa con la fuerza de 1 dina. Se representa por la letra H, y en el sistema CGS se llama oersted. La intensidad en oersteds es, pues, igual al número de dinas por unidad de masa y vendrá representada por una línea de fuerza perpendicular al campo y que ocupa, al cortarlo, un centímetro cuadrado de sección.

En el sistema CGS la intensidad de campo y la densidad del flujo son iguales cuando la permeabilidad es uno.

La intensidad del campo magnético es una medida del esfuerzo de una corriente por establecer un campo Magnético

3. Densidad de flujo magnético

Su símbolo es la B, y también se conoce como inducción magnética o densidad de flujo magnético. La densidad de flujo magnético en una región de un campo magnético es el número de líneas de flujo, medidas en Weber (Wb), que atraviesan perpendicularmente la unidad de área, medida en m2, de una región. La unidad de la densidad en el SI es el tesla.

Existe una relación entre la intensidad del campo magnético, la permeabilidad magnética del material y la densidad resultante del flujo magnético producido, y se da por:

La verdadera densidad del flujo magnético producido en un trozo de material se indica por el producto de la intensidad del campo magnético (H), que representa el esfuerzo que ejerce la corriente para establecer un campo magnético y la permeabilidad magnética del material (μ), que representa el esfuerzo que realiza la corriente para establecer un campo magnético en un material dado.

Se conoce como permeabilidad magnética, la capacidad de una sustancia o medio, para hacer pasar a través de sí los campos magnéticos, por lo tanto entre mayor sea indica que permite concentrar más magnitud del campo magnético.

Existen otras relaciones sobre la permeabilidad, cuando es en un espacio libre o en el aire está definida como:

Ahora, para comparar la capacidad de concentración magnética nos referimos a la permeabilidad relativa definida como:

4.Se llama flujo magnético a la cantidad de líneas de fuerza que pasan por un circuito magnético, además de lo anterior el flujo magnético matemáticamente se define como un producto escalar entre el campo y la superficie , siendo B el campo y S la superficie, teniendo encuentra también el Angulo de incidencia formado entre líneas .

Existe una receta general para determinar el flujo magnético.

Esta receta es general ya que permite calcular el flujo en los diferentes casos

• Cuando el campo es perpendicular a la superficie

• Cuando no lo es y tiene un angulo de incidencia.

En cuanto a las unidades el flujo magnético en el sistema internacionales el weber y se designa asi(Wb) o en el sistecegesimal es utilizado el maxwel y la relacion existente entre estos es (1 weber =108 maxwells).

5. Se define reluctancia magnética a la resistencia que posee un material de ser influenciado por un campo magnético, y se indica a través de la relación que hay entre la fuerza magneto motriz (fmm) y el flujo magnético.

La reluctancia es equivalente a la resistencia en un circuito eléctrico, así que si queremos obtener una reluctancia equivalente de varias en serie solo procedemos a sumarlas, y se procede de la misma forma para obtener una resistencia equivalente en paralelo para las reluctancias. También es importante comentar que como en un circuito eléctrico la resistencia tiene su inverso que es la conductancia, la reluctancia tiene su inverso que es la permeancia.

Para calcular la reluctancia en un circuito se aplica la siguiente ecuación:

Donde:

• R -> reluctancia, medida en amperio vuelta por weber ( A v/Weber ). Esta unidad es equivalente al inverso del Henrio (H-1) multiplicado por el número de espiras al cuadrado.

• l -> longitud del circuito, medida en metros.

• μ -> permeabilidad magnética del material, medida en H/m (henrio/metro).

• A -> Área de la sección del circuito (sección del núcleo magnético), en metros cuadrados.

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Magnetismo e Imanes Permanentes

Establecer las condiciones y la manera como se reconoce la existencia del fenómeno magnético.

El fenómeno magnético se puede definir como la fuerza de atracción que ejercen los átomos de dos elementos con cargas opuestas esto ligado directamente con los campos magnéticos, un campo magnético es la propiedad por la cual una carga eléctrica especifica y de un valor definido se desplaza con una velocidad existiendo una fuerza proporcional y perpendicular a dicha velocidad formando así una propiedad del campo magnético conocida como inducción magnética.

Un ejemplo es el campo magnético terrestre el cual crea su campo de forma natural con los polos de la tierra (polo sur y polo norte)y es por eso que con un elemento como la brújula podemos ubicar la posición en la que nos encontramos.

Los materiales que presentan notablemente este tipo de fenómenos están fabricados en base hierro y acero (materiales ferro magnéticos).

Lo más común para reconocer y palpar este tipo de fenómenos es atreves de:

• Brújula, la cual nos indica la dirección del campo magnético terrestre, atreves de un sur o un norte dependiendo de nuestra ubicación, y de la intensidad del campo magnético en cuestión

• Polos magnéticos, este fenómeno se aprecia generalmente cuando contamos con dos imanes y si sus polos son iguales se repelen, caso diferente si son distintos se atraen.

• El fenómeno de la inducción magnética también se aprecia al frotar nuestro pelo con una bomba o una regla plástica, la cual queda posibilitada para atraer diminutos papelitos, ya que lo negativo es atraído por lo positivo, en el momento que ejecutamos la acción de frotar transferimos electrones a la bomba, causando que la bomba se vuelva de carga negativa.

• Otro ejemplo practico por medio de el cual se reconoce la presencia de un campo magnético, se presenta al exponer oxido de hierro sobre una hoja de papel que esta sobre un imán o campo magnético generado por alguna maquina, el oxido de hierro adopta formas de líneas curvas, semicirculares y discontinuas en algunos casos dependiendo de la posición de la hoja.

Lo anterior describe las características fundamentales que se presentan en un fenómeno de tipo magnético, pero también se puede reconocer por factores mas específicos en el área del electromagnetismo como

• Magnetismo remanente, es la inducción magnética que queda en un material magnético después de suprimir un campo magnético aplicado.

• Inducción residual en un material magnético es el valor de la inducción magnética para la condición de campo magnético aplicado nulo, cuando el material se halla en la condición de imanación simétrica cíclica. Se diferencia del magnetismo remanente en el requisito de la condición cíclica.

• Retentividad, inducción magnética que queda en un material después de eliminar el campo magnético.

• Campo coercitivo de un material magnético, es la magnitud del campo magnético para lo cual se anula la inducción magnética cuando el material se imana en condición simétrica cíclica.

• Coercitividad, es el campo coercitivo requerido para anular la inducción magnética partiendo de una condición correspondiente a la inducción de saturación.

Establezca una clasificación de los imanes, las particularidades de cada tipo, los materiales utilizados y las formas más comunes.

Los imanes se dividen en dos tipos generales: imanes permanentes y electroimanes. Los primeros tienes la propiedad de retener su magnetismo indefinidamente, sin utilizar corriente eléctrica que los excite. Estos están fabricados generalmente de acero templado y sus aleaciones. Los segundos depende su magnetismo de la acción magnética de las corrientes eléctricas. Se fabrican con hierro dulce y acero suave, y poseen una gran sensibilidad a las variaciones del efecto magnético de las corrientes eléctricas.

Dentro de los imanes permanentes se encuentran los imanes naturales los cuales están formados por un mineral de hierro conocido en metalurgia con el nombre de magnetita o piedra imán, y cuya composición química es Fe3O4.

Los imanes prensados tienen muchas formas de acuerdo la aplicación. Imanes cuadrados, anulares, redondos y segmentos son los más comunes. Cualquier forma puede realizarse en un imán salvo que debe determinarse antes del prensado. Aunque se puede cambiar su forma una vez fabricado se necesitan complicados procesos poco prácticos. Si se desease hacer perforaciones, agujeros, biseles, avellanados, además de todas las operaciones de calado solo pueden realizarse en la dirección del prensado.

CLASIFICACION DE LOS MATERIALES POR TIPOS DE COMPORTAMIENTO MAGNETICO

Los materiales según su tipo de comportamiento magnético se clasifican en:

• ferro magnéticos

• diamagnéticos

• paramagnéticos

• antiferromagnéticos

Materiales ferro magnéticos: un material ferro magnético es aquel que puede presentar ferromagnetismo, es decir, que presenta un ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección y sentido. Dentro de este grupo se encuentran materiales como Fe, Co, Ni, Gd, Dy, MnAs, MnBi, MnSb, CrO2, MnOFe2O3, EuO, MgOFe23. Los materiales ferro magnéticos por acción de una alta temperatura llegan a destruir la interacción magnética.

*SuperImanes: En esta subclase de materiales ferro magnéticos en base a aleaciones de RE y metales de transición desarrollado durante 1970 y 1990 denominados superimanes o imanes permanentes, su mayor característica es la relación tamaño, campo magnético ya que además que se fabrican imanes diminutos la intensidad de campo magnético que generan entre polos es muy alta.

Materiales diamagnéticos: un material diamagnético es lo opuesto a los ferros magnéticos, ya que son materiales que en presencia de un imán, se repelen. Este fenómeno fue descubierto y nominado por primera vez en 1845 por Michael Faraday, cuando observo como un trozo de bismuto era repelido por cualquiera de los lados de un imán, lo que le indicó que el campo externo del imán induce un dipolo magnético en el bismuto en sentido opuesto.

Los materiales diamagnéticos más comunes son: bismuto metálico, hidrógeno, helio y los demás gases nobles, cloruro de sodio, cobre, oro, silicio, germanio, grafito, bronce y azufre.

Materiales paramagnéticos: tienen esta denominación los materiales cuya permeabilidad magnética es similar a la del vacio. Estos materiales no presentan el fenómeno de los materiales ferros magnéticos. En términos físicos, se dice que su permeabilidad magnética relativa tiene un valor aproximado igual a 1.

Los materiales paramagnéticos sufren el mismo tipo de atracción y repulsión que los imanes normales, cuando están sujetos a un campo magnético. Una vez se retire el campo magnético, la entropía hace que se destruye el alineamiento magnético por la falta de energía. Algunos materiales paramagnéticos son: aire, aluminio, magnesio, titanio y tungsteno.

Materiales antiferromagnéticos: un material antiferromagnético es aquel que puede presentar anti ferromagnetismo y esto hace referencia con el ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección pero en sentido inverso, cancelándolos si tienen el mismo valor absoluto, o reduciéndolos si son distintos.

Al igual que ferromagnetismo, la interacción antiferromagnética se destruye a alta temperatura por efecto de la entropía. La temperatura por encima de la cual no se aprecia el anti ferromagnetismo se llama temperatura de Neel. Por encima de esta, los compuestos son típicamente paramagnéticos.

Apoyado con un gráfico, defina polo magnético y enumere y explique las propiedades de los polos.

Recibe el nombre de polos las regiones que posee cualquier imán, las cuales se denotan como positivo o negativo de acuerdo al comportamiento del campo magnético que el imán produce. El polo positivo es la parte del imán que emite campos magnéticos y el negativo la parte que los recibe. Las siguientes son algunas de sus propiedades.

Propiedades:

• De atracción o repulsión de acuerdo a la región que tenga enfrentada. Dos imanes de polos iguales se repelen mientras que de polos diferentes (norte – sur) se atraen.

• Su propiedad magnetica permite que el campo que emite pueda ingresar nuevamente por el polo opuesto.

• Si se llegase a partir en dos una barra de iman, inmediatamente se crean los dos polos en cada trozo N-S

• Todo polo norte induce un polo sur, y todo polo sur induce uno norte en cualquier iman
• En una barra imantada , el plano medio entre los polos se llama zona neutra o ecuador.

• Si se coloca un polo norte muy débil al lado de un polo norte muy intenso, hay una atracción entre ellos, esto debido a que el polo norte intenso induce un polo sur el cual se sobrepone al débil polo norte.

• La fuerza de atracción (o de repulsión) entre dos polos es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos, siempre que las dimensiones de los polos sean pequeñas comparadas con tal distancia.

Para entender las diferencias entre las líneas de campo, líneas de fuerza y líneas de inducción es necesario primero conocer sus definiciones por separado así:
• Líneas de campo, describen la estructura del campo magnético en tres dimensiones. Convergen donde la fuerza magnética es mayor y se separan donde es mas débil. Para entender esto en una barra imantada, las líneas de campo se separan de cada polo en particular y convergen en el opuesto, siendo la fuerza magnética mayor cerca los polos donde se reúnen.

• Líneas de fuerza, las líneas de campo son las que salen de los polos de un imán, mientras que las líneas de fuerzas, son líneas rectas que van tangenciales a los líneas de campo, se puede tomar en cualquier punto de la línea de campo. Las líneas de fuerza se pueden ver como vectores es decir tienen dirección y sentido. El sentido de estas líneas siempre van a estar de polo norte a polo sur.
• Líneas de inducción, son líneas tangentes en cada uno de sus puntos al vector inducción magnética. La concentración de líneas de inducción en una zona del espacio es proporcional al valor de la inducción magnética en dicha zona

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Conceptos de Circuito y Sistema Electrico

a) Precisar, explicar y clasificar los elementos o dispositivos eléctricos

Los Dispositivos o elementos electrónicos son aquellos que forman parte de un circuito electrónico, las características generales de estos dispositivos es que suelen terminar en dos o mas terminales conductoras (metálicas), están encapsulados en materiales de tipo cerámico metálico o plástico, diseñados para cumplir distintas funciones dependiendo de su conexión con otros elementos por medio de soldadura en un circuito impreso.

Clasificación de los elementos o dispositivos eléctricos

Los elementos o dispositivos eléctricos se suelen clasificar dependiendo de diferentes características, como:

• Según su Estructura Física encontramos dos tipos de elementos:

- Discretos: Son dispositivos que se encuentran encapsulados individualmente como el resistor, condensador, diodos transistor etc..

Resistor: Es un elemento que se opone al paso de la corriente, se encuentran diversos usos, transformación de energía eléctrica en calórica, como en las estufas eléctricas o en algunos calentadores

- Integrados: Aquí encontramos los dispositivos electrónicos del tipo circuitos integrados, compuertas etc.. Son aquellos que pueden contener más de 1 dispositivo discreto o miles.

Compuertas: Son dispositivos compuestos de redes de interruptores, que interpretan operaciones booleanas para obtener un resultado dependiendo de la combinación de estas.

• Según el material de Fabricación tenemos:

- Semiconductores: Son elementos que son capaces de comportarse como conductores, o aislantes como el transistor NPN o PNP

Transistor: Dispositivos que son tradicionalmente utilizados como amplificadores, osciladores, conmutadores o rectificadores. Este elemento cuenta con la ventaja que dependiendo de ciertos tipos de factores permite polarizarse para adaptarse a los usos ya mencionados.

- No semiconductores

• Según su funcionamiento:

- Pasivo: Absorbe o consume energía, la Potencia es Positiva, Aquí encontramos dispositivos tales como, resistores, condensadores, bobinas entre otros

Condensadores: Son elementos que permiten contener energía por determinado tiempo para después ser liberada y usada para diferentes funciones. Son elementos que son comúnmente utilizados como filtros de señal en sistemas de audio.

- Activo: Suple Energía, la potencia es negativa, encontramos fuentes de voltaje y corrientes dependientes e independientes.

• Según el Tipo de Energía:

- Electromagnéticos: Son los que aprovechan las propiedades electromagnéticas de los materiales, aquí encontramos los transformadores y las bobinas donde se refleja un efecto como el campo magnético

Transformador: Maquina eléctrica que por medio de principios magnéticos permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna conservando su frecuencia.

- Electros acústicos: Transforman la energía acústica en energía eléctrica y viceversa, como el micrófono o las bocinas entre otros.

- Opto electrónicos: Transforman la energía luminosa en eléctrica o viceversa como las foto celdas, Bombillas etc.…

• Según su uso más común:

- Analógicos: Son dispositivos en los cuales la señal varia de forma continua y suave, tipo senoidal como lo son: Amplificador operacional, relé, inductor etc...

- Digitales: La señal en estos dispositivos no varían de forma continua, y trabajan a través de binarios o cambios de estados lógicos, como: Puerta lógica, Micro controladores etc.…

- Potencia: Son dispositivos semiconductores de potencia de los cuales se derivan el diodo y el transistor.

b) Explique qué es necesario disponer para usar la energía eléctrica

Teniendo en cuenta que ya se produjo la energía y se encuentra disponible para el uso, para emplear este flujo eléctrico es necesario disponer de una maquina eléctrica, que es donde la energía eléctrica cumple su misión al transformarse en otro tipo de energía, ahora para que el flujo de energía llegue a su destino es necesario de un conductor, los llamados cables o alambres que podemos encontrar de diferentes tipos y que se ajustan a diferentes requerimientos. El conductor y la maquina eléctrica nombradas son elementos que permiten componer lo que recibe el nombre de circuito eléctrico, el cual consta de una fuente de energía eléctrica, conductores de flujo eléctrico, y resistencias, inductores, condensadores entre otros.

c) Establezca los principales elementos y mínimos que intervienen

Aquí nos centramos en los elementos que permiten disponer de energía eléctrica, directa o indirectamente clasificándolos de la siguiente forma:

• Principales: Se describen los elementos que son fundamentales para disponer de energía eléctrica

- Conductores (Cable Nª22)

- Maquinas Eléctricas(Motores, Focos de Luz, Dispositivos electrónicos como resistencias, condensadores)

- Tomas de Corriente (T, enchufes, borneras)

• Mínimos: Aquí encontramos elementos que pueden adaptarse a los circuitos eléctricos, pero que en relación de la pregunta de Disponer de la energía eléctrica cumplen funciones secundarias

- Fusibles

- Interruptores (Abiertos o Cerrados, de Seguridad)

- Instrumentos de Medición (Voltímetro, Amperímetro)

- Reguladores de Tensión

d) Enumere las características básicas que debe tener el establecimiento de un servicio de energía eléctrica

“

1) Análisis de carga

2) Cálculo de transformadores.

3) Análisis del nivel tensión requerido.

4) Distancias de seguridad.

5) Cálculos de regulación.

6) Cálculos de pérdidas de energía.

7) Análisis de cortocircuito y falla a tierra.

8) Cálculo y coordinación de protecciones.

9) Cálculo económico de conductores

10) Cálculos de ductos, (tuberías, canalizaciones, canaletas, blindobarras).

11) Cálculo del sistema de puestas a tierra.

12) Análisis de protección contra rayos.

13) Cálculo mecánico de estructuras.

14) Análisis de coordinación de aislamiento.

15) Análisis de riesgos eléctricos y medidas para mitigarlos.

16) Cálculo de campos electromagnéticos en áreas o espacios cercanos a elementos con altas

tensiones o altas corrientes donde desarrollen actividades rutinarias las personas.

17) Cálculo de iluminación.

18) Especificaciones de construcción complementarias a los planos incluyendo las de tipo técnico de

equipos y materiales.

19) Justificación técnica de desviación de la NTC 2050 cuando sea permitido, siempre y cuando no

comprometa la seguridad de las personas o de la instalación.

20) Diagramas unifilares.

21) Planos eléctricos de construcción. “

Articulo Tomado de Anexo General RETIE (Disponible en http://www.aciem.org/bancoconocimiento/R/RETIENuevoOficial/RETIENuevoOficial.asp)

e) Realice un resumen de la estructura de un sistema de energía eléctrica: etapas, niveles de tensión normalizados, equipos que intervienen, etc.

Central Hidroeléctrica

Sistema de producción de energía eléctrica, en base a la utilización de caídas de agua que por medio de un principio físico como lo es la energía potencial nos permite la rotación de una o varias turbinas que en conjunto con un alternador genera energía eléctrica para ser distribuida o utilizada de diferentes formas.

Etapas:

• Desvió del cauce del Agua

En esta etapa se busca tomar el agua que viaja a través de un rio y canalizarla para aprovechar la energía cinética o potencial gravitatoria. Lo más común es el uso de una prensa en primer lugar la cual se encarga de retener y almacenar agua, generalmente es una barrera en hormigón. La prensa por medio de los desagües puede controlar la cantidad de agua que almacena elevando o reduciendo el nivel del fluido dando paso al embalse. También es importante en esta etapa los ductos que se encargan de transportar el fluido en este caso agua hasta las turbinas.

• Etapa Transformadora

Aquí encontramos todos los elementos que se encargan de dar finalidad a la obtención de la energía eléctrica, esto se hace a través de turbinas que rotan por acción de la energía que trae el agua. Las turbinas constan de una serie de palas en las que el agua golpea y que están fijadas a un rotor que a través de este ciclo continuo permite un movimiento circular, que un alternador o generador lo interpreta transformando la energía mecánica en energía eléctrica.

• Etapa de Distribución

Permite que la energía eléctrica acumulada, sea enviada a zonas rurales o urbanas y dispuesta para diferentes fines, esto se hace a través de líneas eléctricas. Cabe aclarar que el flujo eléctrico sufre un proceso de transformación y regulación antes de ser liberado y por ultimo también se encuentran las zonas de instalaciones auxiliares o mantenimiento.

Los niveles más comunes de este tipo de sistemas de energía eléctrica son:

• Nivel de tensión I: tensiones inferiores a 1 kV

• Nivel de tensión II: tensiones comprendidas entre 1 a 30 kV

• Nivel de tensión III: tensiones comprendidas entre 30 kV y 62 kV

• Nivel de tensión IV: tensiones de valor mayor a 62 kV

Equipos que Intervienen en un sistema de producción de energía hidráulica:

• Turbinas.

• Alternadores.

• Ventiladores.

• Interruptores.

• Transformadores.

• Autoválvulas.

• Protecciones eléctricas.

• Bombas.

• Válvulas.

• Cargadores de baterías.

• Cuadros de control.

• Aparatos de señalización, alumbrado, comunicación y transmisión de datos.

• Amperímetro

• Ohmetro.

• Voltimetro

• Equipos de instrumentación y control.

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Energías Renovables

• Planta Solar(Fotovoltaica)

Este tipo de plantas trabajan en base del aprovechamiento de los recursos que nos ofrece una estrella como el sol. Recursos de tipo lumínico y calórico.

 

 

 

 Como se aprecia en el diagrama, una central Fotovoltaica trabaja por medio de un Modulo Fotovoltaico, con sus correspondientes celdas el cual se encarga de absorber la luz (fotones) y transfórmala en energía eléctrica. Esta flujo eléctrico es de tipo DC (Corriente Continua) el cual puede ser canalizado atreves de un acumulador (baterías) para ser usado en diferentes dispositivos, o existe la posibilidad de añadir un Inversor el cual convertirá a tipo CC (Corriente Continua)

• 
  
  Central Hidráulica

 

  

• Desvió del cauce del Agua

 

En esta etapa se busca tomar el agua que viaja a través de un rio y canalizarla para aprovechar la energía cinética o potencial gravitatoria. Lo más común es el uso de una prensa en primer lugar la cual se encarga de retener y almacenar agua, generalmente es una barrera en hormigón. La prensa por medio de los desagües puede controlar la cantidad de agua que almacena elevando o reduciendo el nivel del fluido dando paso al embalse. También es importante en esta etapa los ductos que se encargan de transportar el fluido en este caso agua hasta las turbinas.

• Etapa Transformadora

 

Aquí encontramos todos los elementos que se encargan de dar finalidad a la obtención de la energía eléctrica, esto se hace a través de turbinas que rotan por acción de la energía que trae el agua. Las turbinas constan de una serie de palas en las que el agua golpea y que están fijadas a un rotor que a través de este ciclo continuo permite un movimiento circular, que un alternador o generador lo interpreta transformando la energía mecánica en energía eléctrica.

 

• Etapa de Distribución

 

Permite que la energía eléctrica acumulada, sea enviada a zonas rurales o urbanas y dispuesta para diferentes fines, esto se hace a través de líneas eléctricas. Cabe aclarar que el flujo eléctrico sufre un proceso de transformación y regulación antes de ser liberado y por ultimo también se encuentran las zonas de instalaciones auxiliares o mantenimiento.

• Central Eólica

En las centrales eólicas se emplea un proceso muy parecido al de las centrales hidraulicas, el cambio radica en que como recurso no se usa el agua sino el viento por tanto el mecanismo para aprovechar las corrientes de aire es diferente, en este caso hablamos de un aerogenerador el cual está compuesto por hélices (pala) las cuales se encargan de aprovechar la energía cinética permitiendo el giro del rotor atreves de un sistema mecánico (caja de cambios) , este giro conecta a un generador el cual transforma el movimiento rotatorio de las hélices en una señal eléctrica, dependiendo del tipo de generador obtenemos corriente directa o alterna que ya puede ser utilizada para alimentar diferentes dispositivos eléctricos. Algunos aerogeneradores poseen sensores de viento diseñados para que las hélices giren hacia el Angulo donde se encuentre la mayor corriente de aire.

 

 

 

•  Central Mareomotriz

 

 

La energía Mareomotriz es una forma de utilizar la estrella solar de forma distinta. Básicamente este tipo de centrales están construidas en base al movimiento de las masas de aire de centros de alta presión a baja presión, donde también interviene el ciclo de evaporación, condensación y precipitación del agua. Específicamente cuando la marea sube las compuertas del dique se abren y el agua ingresa al embalse, al llegar el nivel del agua a un punto preestablecido las compuertas se cierran y mantienen el fluido, en el momento que la marea baja, el nivel del mar desciende por debajo del embalse, y en la máxima diferencia entre el liquido que se encuentra contenido y el mar, las compuertas se abren y dejan salir el agua, la cual cae sobre turbinas que al igual que en la energía hidraulica, permite el giro del eje acoplado al alternador convirtiendo energía mecánica en energía eléctrica.

• Central Geotérmica

La energía Geotérmica es una alternativa térmica para producir energía eléctrica. El funcionamiento de este tipo de centrales radica la extracción de gases contenidos en el subsuelo, estos gases son transportados por medio de una tubería y almacenados en depósitos sellados para ser liberados hacia turbinas, donde por medio de la energía cinética permite el movimiento del eje o rotor en conjunto con un generador que transforma el movimiento en un señal eléctrica, para después ser distribuida para diferentes usos cotidianos o de tipo industrial. Al subir el gas al deposito vuelve a su estado liquido y por medio de otra tubería es enviada al subsuelo.

 

 

•  Biomasa

Las centrales de Biomasa son una de las alternativas mas agradecidas como sistema para producir energía eléctrica por su bajo impacto ambiental. Este tipo de centrales trabajan en base a materia orgánica derivada de animales y vegetales, por medio del proceso de la fotosíntesis recibe energía del sol, todo este tipo de materia es recogida y transportada a una central donde ingresa a una caldera donde por medio de la combustión libera energía, el resultado de la combustión se utiliza para calentar agua que viaja atreves de ductos a altas temperaturas hasta llevarla a estado gaseoso, este gas se mantiene contenido en los ductos para ser liberado a alta presión hacia una turbina que permite el movimiento de un eje en conjunto con un alternador o generador que se encarga de transformar energía mecánica(cinética) a energía eléctrica. Los residuos de la combustión son recogidos y utilizados como abono y los gases de la combustión purificados para ser entregados al medio ambiente

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Conmutacion en Motores

Todas las maquinas independientemente del tipo generador o motor para convertir energía mecánica en eléctrica o viceversa, o maquinas dependientes de la clase de flujo eléctrico como las DC, en su interior mantienen circulación de corrientes alternas, entonces nos preguntamos como es que a su salida obtenemos corriente directa, esta funcionalidad es debida a un mecanismo llamado conmutador el cual se encarga de convertir tensiones ac internos en tensiones dc externos en su terminales de salida.

En base a esta apreciación la maquina de corriente directa también recibe el nombre de maquina de colector o conmutada

Ejemplo Basico para ilustrar este ejemplo:

Un espira sencilla que rota

Como podemos ver atravez de este grafico, este es el ejemplo cotidiano de una maquina que genera energía de tipo eléctrica, su constitución a primera vista es muy simple, observamos dos imanes ubicados polo sur vs polo norte espaciados por un conductor en forma de espira, este montaje puesto en acción girando por medio de la aplicación de alguna fuerza externa, generaría un senal sinusoidal del siguiente tipo:

Ahora nos preguntamos pero como es que este tipo de maquina tan simple puede llegar a producir una señal de este tipo?

Pues la respuesta no es tan compleja, el montaje trabaja de la siguiente manera, por medio de una fuerza externa que permita el giro de la espira, y de su interaccion con los imanes se producirá un campo magnetico que sobre el conductor inducirá una corriente. Como podemos ver en la grafica, esta senal se produce a lo largo de un giro de 360°.

Durante este giro dependiendo de la posición y con base en la receta básica de la producción de una fuerza electromotriz obtenemos como resultado final una corriente de tipo alterna que no se encuentra rectificada, muchos pueden pensar y el conmutador en donde esta? Todo esta explicación es un repaso a groso modo para dar a entender con mayor claridad el trabajo que ejecuta este mecanismo.

Ahora la idea es buscar la forma de generar una señal de tipo dc, aquí es donde entra a funcionar el conmutador

Como podemos ver en este diagrama, a el montaje simple de la escobilla ya visto, se agregaron dos segmentos de platinas semicirculares que reciben el nombre de colector y dos contactos también llamados escobillas dispuestos de tal forma que cuando la fem generada sea cero se cortocircuiten, este concepto es el plano neutro ya tratado en clase. Esta disposición permite que cada vez que la tensión en la espira cambia de dirección, los contactos cambian las conexiones.

Cabe aclarar que en este montaje las terminales de salida siempre están dispuestas de la misma manera, el proceso anterior recibe el nombre de conmutación, los segmentos semicirculares rotantes se denominan segmentos de conmutación y los contactos fijos se llaman escobillas.

Finalmente atravez de la implementación de este sistema obtenemos una señal de este tipo:

Es una señal de corriente directa que por medio del proceso de conmutación esta rectificado, en clases pasadas este modelo fue visto como un rectificador de tipo mecánico.

En Resumen

La conmutacion es el proceso de cambiar las conexiones de la espira del rotor de una maquina dc justamente cuando el voltaje en la espira cambia de polaridad, para mantener un voltaje de salida dc constante.

Problemas de Conmutacion en Maquinas Reales DC

Es importante tener en cuenta que las maquinas que encontramos en nuestra vida cotidiana, no tienen un montaje como el ya expuesto. Lo mas posible es encontrar maquinas DC reales en las cuales debemos tener en cuenta ciertos factores que pueden entorpecer el proceso de conmutación como: .(Preambulo para Problemas de Conmutacion)

• La reacción del Inducido
• Las Tensiones L di/dt

A continuación procedemos a dar a conocer a profundidad estos problemas y soluciones para corregirlos.

La reacción del inducido (Efecto)

Basicamente este tipo de maquinas constan de un estator donde se ubican los polos magneticos que varian dependiendo de la clase de motor, y el inducido donde se encuentran una serie de conductores o espiras. Al inducir una carga sobre el rotor se produce un campo magnetico propio que altera el campo magnetico creado a apartir de los imanes dispuestos, cuando se incrementa la carga este es el efecto que recibe el nombre de reacción del inducido

El efecto de reacción del inducido incide en:

• Desplazamiento del plano neutro, el plano neutro es la ubicación de las escobillas de tal forma que los alambres del rotor estén en paralelo con el flujo magnetico.

En un generador el desplazamiento del plano neutro, se produce en dirección del movimiento del rotor, en un motor el desplazamiento del plano neutro se produce en dirección contraria al giro del rotor.

El desplazamiento del plano neutro depende de la carga aplicada a la maquina y de la corriente rotorica

Finalmente la conclusión a la que podemos llegar sobre el desplazamiento del plano neutro.

Es necesario que el conmutador cortocircuite los segmentos de conmutación en el momento en que la tensión circulante es igual a cero. Si se ubican las escobillas en el plano neutro, el voltaje es cero mientras la maquina se mantenga en vacio, cuando se cargue el plano neutro se va a descompensar, y al revez esta descompensación produce el aumento de una tensión finita atravez del corto cuito en los segmentos de conmutación.

El resultado final es un flujo de corriente circulante entre los segmentos corto cricuitados y grandes chispas en las escobillas cuando se interrumpe el camino de la corriente al abandonar la escobilla un segmento.

Esto repercute en la reducción de la vida de trabajo de las escobillas y los segmentos de conmutación.

En casos extremos la reacción del inducido puedo producir un desplazamiento del plano neutro tal que puede producir flameo en los segmentos de conmutación cerca de las escobillas, ocurre porque cuando la tension en los segmentos de conmutación es muy alta, este flameo puede llegar a fundir la superficie del colector.

• Debilitamiento de Campo (Por la reacción del inducido)

Para dar explicación a este efecto es necesario conocer que la mayoría de maquinas operan a densidades de flujo cercanas a su punto de saturación, esto repercute en el aumento o disminución del flujo dependiendo de la ubicación en el motor:

Si observamos el estator, específicamente las caras polares, aquí ocurre un incremento del flujo magnetico, esto se debe a que a la fuerza magneto motriz del rotor se adiciona a la fuerza magneto motriz del polo, en cambio por otro lado se presenta una gran disminución del flujo en los sitios superficiales polares donde la fuerza magneto motriz del rotor se resta con la fuerza magntomotriz del polo. Y teniendo en cuenta estos dos efectos el resultado final es la disminución del flujo promedio total bajo la cara polar completa

Como conclusión final el debilitamiento del flujo magnético afecta tanto a motores como a generadores, en los generadores como resultado la tensión entregada disminuye, pero en el caso de los motores, las consecuencias son más drásticas, si el flujo magnetico disminuye aumenta su velocidad como pudimos verlo en el laboratorio, en el caso del motor tipo shunt. Es importante tener en cuenta que en motores de tipo derivación dc, este debilitamiento del flujo magnetico puede producir un desvocamiento tal que la maquina puede llegar a desarmarse o desconectarse de la linea de potencia.

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Gestión Energética con Motores y variadores de Velocidad

Por Ing. Oscar Abella, Corporación ABB.

A lo largo de esta conferencia se dio a conocer un concepto general de Motores, funcionamiento, estructura y otros tantos aspectos referentes a estos como su aplicación en la industria. Se mostró la forma en que puede ser aplicados los reguladores de velocidad en pro de la reducción del consumo eléctrico.

En las industria, el consumo del energía eléctrica recae en un 90% por parte de los motores, estas maquinas eléctricas impactan en las compañías por medio del KW hora, y en el medio ambiente por la concentración de CO2 a raíz del incremento de la temperatura. Lo cual hace necesario dar importancia a maquinas como estas y buscar soluciones que nos permitan reducir los efectos no beneficiosos que estas desencadenan.

Para el caso de los motores revisaremos el concepto de eficiencia.

Como mejoro la eficiencia?

- Distribución uniforme de temperatura
- Aumento del área de refrigeración
- Teniendo laminaciones mas delgadas (Rotor)
- Aislamiento materiales de mejor calidad
- Ventilador, Reducción de niveles de Ruido


Perdidas mecánicas:

- Diseño del Ventilador
- Calidad del Rodamiento
- Precisión balanceo del motor

Mejora Optimización del uso del motor:

- Evitar rebobinar equipos
- Buenas practicas de mantenimiento
- Diseñar el motor respecto a las cargas
- Optimizar el motor con el uso de variador de velocidad

Las anteriores son diversas formas rutinarias que me permitirán mejorar la eficiencia en un motor para reducir el consumo por este y la contaminación generada.

En el último punto podemos ver que podemos usar un variador de velocidad o variador de frecuencia el cual es un complemento que nos permite variar la velocidad.

VFD – Variable frecuency drive
VSD – Variable Speed Drive

Este variador involucra una mejora en rizado de la señal. Parte rectificador – Circuito intermedio – Inversor (DC a AC)

Por tanto ABB sugiere que los sistemas convencionales sean reemplazados por sistemas de mayor tecnología como los motores ABB, que en el caso de aplicaciones industriales de bombeo elimina las perdidas.

ABB provee un software el cual nos permite evidenciar de que manera nuestra inversión en un motor de estos por medio del variador de velocidad retorna, también nos indica los Kg de CO2 que dejan de ser emitidos con este cambio.

Por ultimo se indica que manera se debe realizar un esquema de gestión energética para la aplicación de estos variadores de velocidad.

Paso 1 – Foco de Estudio
Paso 2 – Información
Paso 3 – Medición
Paso 4 – Análisis
Paso 5 – Inversión y seguimiento.

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