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DISEÑO DE MAQUINAS ELECTRICAS

CLASIFICACION DE LAS MAQUINAS ELECTRICAS

Las maquinas eléctricas generalmente se dividen en dos:
 Las maquinas estáticas
 Las maquinas rotativas

MAQUINAS ESTÁTICAS (TRANSFORMADORES):

La aplicación de los transformadores permite elevar o reducir la tensión, variar el
número de fases y en algunos casos incluso variar la frecuencia de la C.A.
Transmisión y distribución de energía eléctrica
- En las centrales eléctricas se generan energía eléctrica a tensiones de 6 – 24 Kv.
Para transmitir la energía a grandes distancias, es más económico haciéndolo a
altas tensiones, y es por eso que ahí entran los transformadores para elevar la
energía a altas tensiones.
- En la transmisión las energías se transmiten en 220, 330, 500 y 750 kV, y
potencias hasta de 1200 – 1600 MVA.
- En la distribución los transformadores reducen las tensiones a niveles de 220 V.
Datos nominales de los transformadores
- Potencia nominal, KVA
- Tensión de AT, kV
- Tensión de BT, kV
- Corriente nominal en AT. Amp.
- Corriente nominal en BT. Amp.
- Factor de potencia, cosϕ
- Frecuencia, Hz
- Esquema de conexión
- Número de fases
- Tensión de cortocircuito
Perdidas de potencia y energía en los transformadores
En todo transformador se tiene dos tipos de perdidas:
Perdidas en el fierro: Son pérdidas que se deben a las características de diseño y a la
calidad de los materiales empleados en su fabricación. Este tipo de pérdidas son
permanentes y tienen lugar mientras el transformador esté conectado a la red. La
magnitud de estas pérdidas depende del tamaño o potencia del transformador.
Perdidas en el cobre: Son pérdidas que se deben al efecto Joule es decir por la
corriente que circula en devanados del transformador. Estas pérdidas dependen del nivel
de carga que tenga el transformador en su operación.
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Tabla I Pérdidas en transformadores

MAQUINAS ROTATIVAS:
Usos de las maquinas rotativas:
a) Generadores. - Transforman la energía mecánica en eléctrica. Se instalan en las
centrales eléctricas (CC.EE.) y en los diferentes equipos de transporte como
autos, aviones, barcos, etc. En las CC.EE. los generadores son accionados
mecánicamente mediante turbinas que pueden ser a vapor o hidráulicas; en los
equipos de transporte mediante motores de combustión interna o turbinas a
vapor. En una serie de casos los generadores se usan como fuente de energía
para equipos de comunicaciones, dispositivos automáticos, de medición, etc.
b) Motores. - Son equipos eléctricos que transforman la energía eléctrica en
energía mecánica; sirven para accionar diferentes máquinas, mecanismos y
dispositivos que son usados en la industria, agricultura, comunicaciones, y en los
artefactos electrodomésticos. En los sistemas modernos de control los motores
se usan en calidad de dispositivos gobernadores, de control, como reguladores
y/o programables.
c) Convertidores electromecánicos. - Transforman la c.a. en c.c. y viceversa,
variando la magnitud de tensión (V), tanto de c.a. como c.c., frecuencia (f),
número de fases y otros. Se usan ampliamente en la industria, aunque en las
últimas décadas ha disminuido su demanda debido al uso de los conversores
semiconductores (dispositivos electrónicos de potencia).
d) Compensadores electromecánicos. - Generan o absorben potencia reactiva (Q)
en los sistemas eléctricos de potencia para mejorar los índices energéticos (el
factor de potencia ϕ, niveles de tensión) en las interconexiones y los centros de
carga.
e) Amplificadores electromecánicos. - Se usan para el control de equipos de gran
potencia, mediante señales eléctricas de pequeña potencia, que son transmitidos
a los devanados de excitación (control). Su uso también ha disminuido.
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f) Convertidores electromecánicos de señales. - Generan, transforman y

amplifican diferentes señales. Se diseñan y proyectan en forma de micro motores
y lo usan ampliamente diferentes equipos de control.

Tipo de corriente y funcionamiento de las máquinas rotativas

Por el tipo de corriente se dividen en máquinas de c.a. y de c.c.
a) Máquina de inducción. - Se usan como motores trifásicos, habiendo también
monofásicos. La simpleza de su diseño y su alta confiabilidad permiten su uso
en diferentes campos de la ingeniería. En los sistemas de regulación automática.
(SRA) se usan ampliamente motores de control mono y bifásico, taco
generadores así también como selsynes.
b) Máquinas síncronas. - Se usan como generadores de c.a. de frecuencia
industrial (50 o 60 Hz) en las CC. EE., así como generadores de alta frecuencia
(en los barcos, aviones, etc.). En los sistemas de mando eléctrico de gran
potencia se usan motores síncronos. En los dispositivos automáticos se usan
máquinas síncronas de histéresis, con imanes permanentes, de paso y otros.
c) Máquinas colectoras. - Se usan muy rara vez y sólo como motores. Tienen un
diseño complejo y exigen muy buen mantenimiento.
d) Máquina de C.C. - Se usan como generadores y motores en los sistemas de
mando eléctrico que requieran flexibilidad en la regulación de velocidad: en los
ferrocarriles, en el transporte marítimo, en laminadores, en grúas; también en
casos cuando la fuente de energía eléctrica son baterías acumuladoras.

Nivel de potencia de las maquinas rotativas

En función a la potencia que absorben o generan las máquinas, se dividen en micro
máquinas, motores de pequeña, media y gran potencia.
- Micro máquinas. - Cuya potencia varía de décimas de watt hasta 500 w. Estas
máquinas trabajan tanto en C.A. como en C.C., así como a altas frecuencias (400
- 200 Hz).
- De pequeña potencia.-. 0.5 - 10 kW. funcionan tanto en c.a. como en c.c. y, en
frecuencia normal (50 - 60 Hz o más).
- De potencia media. - 10 kW hasta varios cientos de kW.
- De gran potencia. - Mayor de 100 kW. Por lo general las máquinas de media y
gran potencia funcionan a frecuencia industrial.

Frecuencia de giro (velocidad) de las maquinas rotativas

Se dividen en:
- De baja velocidad: con velocidad menor de 300 r.p.m.
- De velocidad media: (300 - 1500 r.p.m.)
- De altas velocidades: (1500 - 6000 r.p.m.)
- De extra altas velocidades: (mayor de 6000 r.p.m.).
Las micro máquinas se diseñan para velocidades de algunos r.p.m. hasta 6000
r.p.m.
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RESUMEN DE VIDEOS
MAQUINAS ROTATIVAS
Durante la historia, Thomas Edison y Nikola Tesla fueron los principales contribuyentes
con la eficiencia y eficacia de la conversión de la energía electromecánica de las
maquinas rotativas.
Las maquinas eléctricas son nada más y nada menos que la aplicación de los fenómenos
electromagnéticos y principalmente de la ley de inducción de Faraday.
Las maquinas eléctricas realizan una conversión de energía a otra donde por lo menos
una de ellos es eléctrica, tenemos:
Rotativas: compuestas por el rotor (esta es giratoria), el estator (esta es fija) y el
entrehierro (es el espacio que esta entre el rotor y el estator).
 Generadores
 Motores

MOTOR

Sistema Sistema
MAQUINAS ELÉCTRICAS
eléctrico mecánico

GENERADOR

Fijas: son las maquinas compuesta por chapas y estas son estáticas, pueden ser
elevadores o reductoras de tensión.
 Transformadores

CAMPO MAGNETICO ROTATORIO

Galileo Ferraris en el año 1885 en la universidad de Turín-Italia, descubrió la
generación de un campo giratorio a partir de un bobinado fijo en el espacio mediante el
cual se hacia girar un disco de cobre.
El Ingeniero Electricista Nikola Tesla en el año 1893 desconociendo lo hecho por
Ferrari construyo el primer motor de inducción que la academia de Turín lo calificó
como un dispositivo sin ninguna aplicación industrial. Viendo que en ese entonces
estaban muy equivocados ya que la máquina de inducción es la más utilizada en la
actualidad.
En las propiedades de los sistemas trifásicos es de generar campos magnéticos giratorios
con bobinados fijos.
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Según este ejercicio debemos

aclarar que en P va el número de
pares de polos y no los polos en
total

Para que rote el campo magnético es que si un grupo de corriente trifásica cada una de
igual magnitud y desfasadas 120° fluyen en un devanado trifásico, se producirá un
campo magnético rotacional de magnitud constante.

PARES DE POLOS EN MAQUINAS ELECTRICAS

Toda máquina rotativa tiene como mínimo un par de polos, estos son norte y sur.
Los motores de c.c. producen un torque gracias a la conmutación mecánica de la
corriente.

Campo magnético
permanente por
imanes
permanentes (el
estator)

Al colocar la espira conectada a una

batería esta polariza la espira y
provoca la repulsión hacia un imán
permanente provocando el giro o
torque en el rotor
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Tres formas básicas:

La superficie del rotor La superficie del estator

Se tiene un entrehierro
presenta unas salientes presenta una saliente
uniforme y es la más común
magnéticas que vienen a ser magnéticas que vienen a ser
en las maquinas asíncronas,
los polos que poseen unas los polos que poseen unas
estas tienen el inductor en
expansiones polares que un expansiones polares que un
el rotor.
campo magnético que campo magnético que
pueden simular un imán pueden simular un imán
permanente. permanente.

También existen las maquinas con más polos, están vienen a

ser denominadas multipolares.
donde los polos norte y sur estas ordenadas de una manera
alterna.

Se puede relacionar los pares de polos con los ángulos geométricos y magnéticos de la
siguiente manera:
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TRANSFORMADOR IDEAL CON NULEO IMPERFECTO

Xm Rm

Rm: Perdidas en el hierro por corrientes parasitas y el calor que ellas producen.
Xm: Perdidas por histéresis y representa una medida de la permeabilidad en el núcleo.
Experimentalmente se puede hallar estas impedancias midiendo Pm y Qm:
Pm: Potencia activa debido a perdidas por corrientes parasitas.
Qm: Potencia reactiva debido a perdidas por histéresis.
Luego de conectarle una fuente Eg en el primario del transformador.

Para suplir las perdidas por corrientes parasitas es extraida de la fuente una pequeña
corriente If, la cual esta en fase con el voltaje E1 que produce la fuenta.
Para crear el flujo en el nucleo del hierro se extrae de la red una corriente Im que
llamamos corriente de magnetizacion, la cual esta retarasada 90° con respecto a E1 pero
esta en fase con el nucleo magnetico φm.
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La corriente total I0 que necesita para crear el flujo φm en el nucleo inperfecto es la

suma fasorial de If y Im, esta corriente total es muy pequeña en compaacion a la
corriente a plena carga del transformador.

Diagrama fasorial del transformador sin carga

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REACTANCIA DE DISPERSION EN EL DEVANADO PRIMARIO Y

SECUNDARIO
Veremos como encontrar la reactancia de dispercion en el devanado primario y
secundario del transformador.

Dibujando dos veces el debanado primario y secunario.

Podemos ver que Ef1 y Ef2 son caidas de voltaje a traves de una reactancia reactiva y es
debido al flujo de dispersion de cada debanado.
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Circuito con la reactancia de dispersion presente y los debanados solo comparten su

flujo mutuo comportandoce como un transformador ideal.
Ejemplo:

CONSTRUCCION DE UN TRANSFORMADOR
Los transformadores de potencia son diseñados lo mas posible que se parescan a un
transformador ideal.
El nucleo se construye de hierro para conseguir una permeabilidad alta y reducir la
corriente magnetizante Im que es cerca aproximadamente 5000 veces que se usara un
nucleo e aire o que no se use un nucleo.
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Los nucleos son formador con laminas que comunmente son de acero al silicio de alta
calidad y poseen un resistividad muy grande, y asi se puede reducir la corriente parasita
If que contribuyen a la perdida en el hierro y su valor es de 2 a 4veces que Im.

Para reducir las reactancias de dispersion Xf1 y Xf2, los devanados se enrrollan uno
encima del otro teniendo cuidado de respetar el aislamiento entre devanados.
Tambien se debe tener las resistencias del devanado para reducir las perdidas que es
I2*r.

En la practica se distribuye en ambas columnas para reducir la cantidad de cobre y asi

reducir los costos del transformador.
El numero de vuelta depende de las tensiones que se transformaran.
Para devanados de alto tension mayor de 1kv se necesita muchas mas fuerza que para
devanados de baja tension.
La corriente en el devanado de al tension es mucho menor que en el de baja tension.
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En un trafo cualquier debanado puede ser usado con primario y esto depende si se usara
para elevar o reducir la tension.

PERDIDAS Y CAPACIDAD DE UN TRANSFORMADOR

El transformador como toda maquina electrica tiene perdidas que aparecen en forna de
calor que aparencen debido a la reisstencias y tambien presentan las perdidas por
corrientes parasitas y por histeresis.
La eficiencia de un tranformador puede llegar hasta 99.5% en grandes transformdores
de potencia.

El calor que produce en las perdidas en el nucleo depende del valor pico φm que a su
ves depende del voltaje Ep aplicado asi mismo el calor que producelos devanados
depende de las corrientes que pasan por ellos y es por eso que se deben establecer
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limites de voltaje aplicado y de corriente absorvida por la carga determinandoce asi el

voltaje nominal En y la corriente nominal In del debanado del transformador.

En todo transformador se expresa en su placa caracteristica: la potencia, frecuencia y el

voltaje nominal que este maneja y en los grandes transformadores se expresa las
corrientes nominales.
Ejemplo:
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RESUMEN DE LA NORMATIVIDAD APLICABLE AL DISEÑO,

CONSTRUCCIÓN Y SUMINISTRO DE TRANSFORMADORES DE
DISTRIBUCIÓN
Para la fabricación de las maquinas eléctricas bien sean estáticas o rotativas
se deben seguir las normas técnicas de fabricación, normas peruanas e
internacionales.
En este caso veremos las normas técnicas de fabricación de los
transformadores.

Normas Técnicas Peruanas: tenemos.

- NTP IEC. 60076-1: Transformadores de potencia parte 1: Generalidades.

- NTP 370.400: TRANFORMADORES. Transformadores de distribución
monofásicos y trifásicos auto refrigerados, sumergidos en líquido aislante.
Corriente en vacío, pérdidas y tensión de corto circuito.

Norma Técnica Internacionales: tenemos.

- IEC. 60076-1: Transformadores de potencia parte 1: Generalidades.
- IEC. 60076-2: Transformadores de potencia parte 2: Elevación de temperatura.
- IEC. 60076-3: Transformadores de potencia parte 3: Niveles de aislamiento,
ensayos dieléctricos y distancia de aislamiento en el aire.
- IEC. 60076-4: Transformadores de potencia parte 4: Guía de ensayo de impulso
tipo rayo e impulso tipo maniobra. Transformadores de potencia y reactancias.
- IEC. 60076-5: Transformadores de potencia parte 5: Capacidad de resistencia al
corto circuito.
- IEC. 60076-7: Transformadores de potencia parte 7: Guía de carga para
transformadores sumergidos en aceite.
- IEC. 60076-10: Transformadores de potencia parte 10: Determinación de niveles
de ruido y su guía de aplicación.
- ASTM B187/B187M: Standard Specification for Copper, Bus Bar, Rod, and
Shapes and General Purpose Rod, Bar and Shapes
- IEC 60137: Aisladores pasantes para tensiones alternas superiores a 1000 V.
- IEC 60296: Fluidos para aplicaciones electrotécnicas. Aceites minerales
aislantes nuevos para transformadores y aparamenta de conexión.
- ASTM D3487: Standard Specification for Mineral Insulating Oil Used in
Electrical Apparatus.
- ASTM D 3359: Standard Test Methods for Measuring Adhesion by Tape Test
- ISO 2409: Paints and varnishes - Cross-cut test.
- IEC 60156: Líquidos aislantes. Determinación de la tensión de ruptura
dieléctrica a frecuencia industrial. Método de ensayo.
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- IEC 62270: Esteres naturales nuevos para transformadores y equipos eléctricos

similares.
- ASTM D 6871: Standard Specification for Natural (vegetal oil) ester Fluids used in
electrical apparatus.
- ASTM B 117: Standard Practice for Operating Salt Spray (Fog) Apparatus.

Los transformadores trifásicos y monofásicos de distribución deben ser para el servicio

exterior, con devanados sumergidos en aceite y refrigeración natural (ONAN o KNAN),
deberán ser “Transformadores Nuevos” entendiéndose por nuevo lo siguiente:
“Transformador en el cuál las materias primas y componentes constructivos empleados
en su fabricación, son totalmente nuevos, sin uso previo ni defectuoso (después de haber
cumplido satisfactoriamente todos los ensayos en fábrica)”
Los transformadores podrán ser instalados de la siguiente manera:
Transformadores monofásicos:
- En subestaciones monoposte o instalados directamente sobre el poste.

Transformadores trifásicos:
- En subestaciones monoposte, subestaciones biposte o en una celda de
transformación a nivel de piso.

Las condiciones de operación y las características eléctricas se consignan en la Tabla de

Datos Técnicos garantizados.

Núcleo
El núcleo se fabricará con láminas de acero al silicio de grano orientado de alto grado de
magnetización, bajas pérdidas por histéresis y de alta permeabilidad. Cada lámina
deberá cubrirse con material aislante resistente al aceite caliente. El núcleo se formará
mediante apilado o enrollado (encintado) de las láminas de acero.
EL FABRICANTE, deberá diseñar el transformador de tal forma que se obtengan las
tensiones de línea, tensiones de fase y grupo de conexión, de acuerdo a lo solicitado en
el presente documento y las tolerancias que establece la norma.

Arrollamiento
Los arrollamientos se fabricarán con conductores de cobre, que serán aislados con papel
de alta estabilidad térmica y resistencia al envejecimiento, podrá darse a los
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arrollamientos un baño de barniz con el objeto de aumentar su resistencia mecánica, esta

aplicación del barniz es opcional para el fabricante.
Las bobinas y el núcleo completamente ensamblado deberán ser secados a través de los
diversos métodos y tecnologías disponibles para transformadores de distribución y el
llenado de aceite debe realizarse al vacío.
Los conductores de conexión de los arrollamientos a los pasatapas se protegerán
mediante tubos-guías sujetados rígidamente para evitar daños por vibraciones.
Los bornes neutros deberán ser iguales a los bornes de fase.
TABLA N° 02
NIVELES DE AISLAMIENTO INTERNO EN MT Y BT

Empaquetamiento
Las empaquetaduras serán fabricadas para soportar las condiciones más extremas de las
características ambientales y de operación, evitando que se produzcan una degradación
o desgaste prematuro y que eviten el filtrado del aceite al exterior o penetración de
humedad al interior del transformador.
La empaquetadura (o junta) de transformadores debe ser fabricada en material
elastómero (*) o polímero. Debido a su mayor tendencia al hinchamiento para
aplicaciones en donde vaya en contacto con el aceite, no se admitirá empaques de
material neopreno.
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La superficie del vulcanizado de la empaquetadura deberá ser lisa y estar libre de estrías
o de rayas. La estructura debe ser uniforme, pareja y libre de porosidades. Los cordones
no deberán tener retorcimientos u ondulaciones. Las partes no deberán presentar
rebabas.
Los empaques en forma de perfil, cuyo plano no indique puntas de unión claramente
demarcadas, no deberán fabricarse por partes y luego pegados, sino deben ser fabricados
en una sola pieza.
Los pegamentos elaborados a base de cauchos sin vulcanización no se deben usar para
fijar el empaque o para unirlo, debido a que son más sensibles a los ataques del aceite.
Características Básicas
Los materiales considerados para la elaboración de las empaquetaduras serán:
NBR = Caucho Acril-Nitril-Butadieno (conocido con caucho Nitrílico)
FPM = Caucho de Fluor
Características básicas

Papeles aislantes
Los papeles aislantes a utilizarse en la fabricación de los transformadores, Clase térmica
E (120°C) según norma IEC 60085, denominados “Papel térmicamente mejorado”.

Aisladores pasatapas
Las Normas Internacionales aplicable para la fabricación de los aisladores pasatapas son
IEC 60137, DIN 42530 o ANSI u otra norma técnica aplicable que cumpla con las
características técnicas requeridas para los aisladores pasatapas.
Los aisladores pasatapas serán fabricados de porcelana, la cual será homogénea, libre de
cavidades o burbujas de aire y de color uniforme, el soporte de los sellos de los bornes
de conexión de MT y BT deberá ser de metálico, no se aceptará soportes de material
cerámico.
Los aisladores de alta tensión serán fijados sobre la tapa superior o en la parte lateral
frontal de la cuba de los transformadores trifásicos (según requerimiento de cada
empresa distribuidora), de tal manera que garanticen la hermeticidad del transformador.
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Los aisladores de alta tensión serán fijados mediante pernos cuyas tuercas de ajuste se
encuentren ubicadas al exterior de la cuba.
Las características técnicas específicas de los aisladores pasatapas están establecidas en
las Fichas Técnicas con los parámetros técnicos siguientes: Norma de fabricación, Línea
de fuga, tensión máxima de operación, tensión nominal a la frecuencia industrial y
tensión de sostenimiento al impulso.
El aislamiento externo especificados en cada Ficha Técnica corresponde a valores
mínimos requeridos en la siguiente Tabla N° 03; debiendo los postores en sus
propuestas cumplir con ofertar valores iguales o superiores al aislamiento externo y la
línea de fuga requerida.
TABLA N° 03
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RESUMEN DE LAS PARTES PRINCIPALES Y SISTEMAS

PRINCIPALES QUE COMPONEN LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS