Pérdidas en Máquina DC: Tipos de Pérdidas
Las máquinas de corriente continua (DC) son fundamentales en el mundo industrial moderno, desde pequeños motores en electrodomésticos hasta grandes generadores en centrales eléctricas. Sin embargo, detrás de su eficiencia aparente, se esconden diferentes tipos de pérdidas que pueden afectar su rendimiento y longevidad. En este artículo, exploraremos las diversas categorías de pérdidas en estas máquinas, desglosando no solo su origen, sino también su impacto en la operación y mantenimiento. Si eres estudiante de ingeniería, técnico especializado o simplemente un entusiasta de la electromecánica, acompáñanos a desentrañar los misterios que afectan a estas fascinantes máquinas. ¡Convirtámonos en expertos en el arte de la optimización del rendimiento de las máquinas DC!
Descubre los secretos de las máquinas de corriente continua y desentierra los misterios detrás de las pérdidas en estas poderosas maravillas tecnológicas. En este fascinante artículo, exploraremos los diferentes tipos de pérdidas que pueden afectar el rendimiento de una máquina DC. Prepárate para sumergirte en el fascinante mundo de las pérdidas y descubrir cómo minimizar su impacto en estas increíbles máquinas. ¡No pierdas más tiempo y acompáñanos en este emocionante viaje hacia el conocimiento!
Las máquinas rotativas eléctricas se utilizan para la conversión de energía. El motor convierte la energía eléctrica en energía mecánica y el generador convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Durante la conversión de energía, la energía de entrada en una forma no puede convertirse completamente en energía de salida en otra forma. La diferencia entre la energía de salida y la energía de entrada se denomina pérdidas. Pragmáticamente, ninguna máquina es 100 % eficiente y siempre se producen algunas pérdidas durante el proceso de conversión de energía. Las pérdidas aumentan la temperatura de la máquina y se reduce la eficiencia de la máquina. En la máquina de CC, la pérdida de energía se produce en forma de energía térmica. Las pérdidas ocurren en la armadura y el campo de la máquina de CC. Hay cinco tipos de pérdidas: pérdida de cobre, pérdida de escobillas, pérdida de hierro, pérdida por dispersión y pérdida mecánica en una máquina de CC.
Pérdidas en Máquinas DC
>Tipos de pérdidas en una máquina de CC
Discutiremos los tipos de pérdidas en una máquina de CC para una mejor comprensión.
1. Pérdida de cobre en el devanado de la máquina de CC
La pérdida de cobre es causada por la resistencia óhmica que ofrece el devanado de la máquina de CC. Cuando la corriente fluye a través del devanado, la pérdida de calor tiene lugar en el devanado. La pérdida de calor es proporcional al cuadrado de la corriente y la resistencia del devanado. La pérdida de cobre en el devanado es I2R. Donde, I es la corriente que fluye a través del devanado y R es la resistencia del devanado. La pérdida de cobre también se conoce como pérdida variable porque la pérdida de cobre depende del porcentaje de carga de la máquina. La pérdida aumenta con el aumento de la carga en la máquina.
La máquina de CC tiene dos tipos de devanado, campo y devanado de armadura, y las pérdidas tienen lugar en ambos devanados. El suministro se alimenta a la armadura a través de las escobillas de carbón y también se producen pérdidas debido a la caída de voltaje óhmico a través de la escobilla de carbón.
1 a). Pérdida de cobre en el devanado del inducido
La armadura de la máquina de CC tiene una resistencia muy baja. La resistencia de la armadura se denota por Ra.
Pérdida de cobre del inducido = Ia2Ra
Dónde, Ia es la corriente de armadura y Ra es la resistencia del devanado del inducido.
La máxima pérdida de cobre ocurre en el devanado del inducido, porque la corriente de carga fluye a través del devanado del inducido. La pérdida de cobre en el inducido es aproximadamente del 25 al 30 % de la pérdida a plena carga.
1b). Pérdida de cobre en el devanado de campo
El suministro de CC se alimenta al devanado de campo para la producción del flujo en la máquina de CC. La resistencia del devanado de campo es mucho mayor que la resistencia del devanado del inducido. Es por eso que la pérdida sustancial de cobre tiene lugar en el devanado de campo incluso con una corriente de campo baja. La pérdida de cobre en el devanado de campo se expresa como:
Pérdida de cobre del devanado de campo = IF2RF
Dónde, IF es la corriente de campo y radiofrecuencia es la resistencia del devanado de campo.
La pérdida de cobre del devanado de campo es aproximadamente el 20-25 % de la pérdida a plena carga de la máquina de CC. La pérdida de cobre en el devanado de campo es una pérdida prácticamente constante porque la corriente de campo y la resistencia de campo permanecen casi constantes en la máquina de CC.
2.Pérdida de resistencia de contacto del cepillo
La armadura es una parte giratoria de la máquina de CC y las escobillas se utilizan para proporcionar suministro de CC a la parte giratoria de la máquina de CC. Idealmente, la resistencia de contacto entre el área de contacto de la escobilla con la superficie del conmutador debe ser cero. Sin embargo, en realidad es imposible tener resistencia de contacto cero.
La caída de tensión tiene lugar a través de las escobillas de carbón. La caída de potencia de la escobilla depende de la caída de tensión a través de la escobilla y de la corriente del inducido.
Caída de potencia en el cepillo = PBD = VBD Ia
3. Pérdidas de núcleo o pérdidas de hierro en la máquina de CC
El devanado del inducido de la máquina de CC se enrolla alrededor del núcleo magnético. El flujo generado por la bobina de campo se vincula a los conductores del inducido a través del núcleo magnético. En el núcleo magnético se producen dos tipos de pérdidas, a saber, histéresis y pérdida por corrientes de Foucault. La pérdida de hierro es casi constante, por lo que la pérdida de hierro o pérdida en el núcleo también se denomina pérdida constante. La pérdida total del núcleo es de alrededor del 20-25 % de las pérdidas a plena carga.
3 a). Pérdida de histéresis en máquina DC
La armadura de la máquina de CC gira en un campo magnético y en una rotación completa ocurre la inversión del campo magnético. La parte del inducido permanece bajo el polo S durante media revolución y después de completar la media revolución bajo el polo S, la parte del inducido pasa bajo el polo P durante el medio ciclo restante. Así, en un ciclo completo, la inversión del campo magnético ocurre en el núcleo del inducido. La frecuencia de la inversión magnética se puede encontrar mediante la siguiente expresión matemática.
>Debido a la inversión magnética constante en la armadura, se consume algo de energía durante la inversión magnética, lo que se denomina pérdida por histéresis. La pérdida por histéresis depende de la calidad y el volumen del material del núcleo.
La pérdida de histéresis en la máquina de CC se puede calcular utilizando la fórmula de Steinmetz.
Fórmula de Steinmetz de pérdida por histéresis en una máquina de CC
Fórmula de Steinmetz
PAGh = η Bmnorte f V
PAGh = η Bm1.6 f VDónde,
PAGh = pérdida por histéresis (vatios)
η = Coeficiente de histéresis de Steinmetz, en función del materia (J/m3)
Bmetro = Máxima densidad de flujo (Wb/metro2)
norte =exponente de Steinmetz, oscila entre 1,5 y 2,5, dependiendo del material
f = frecuencia de inversiones magnéticas por segundo (Hz)
V = volumen de material magnético (m3)
3b). Pérdida de corriente de Foucault en la máquina de CC
La armadura de la máquina de CC está enrollada en el núcleo magnético y el núcleo magnético gira en el campo magnético. Según la ley de inducción electromagnética de Faraday, se induce una fem en el núcleo. El núcleo magnético tiene cierta resistencia y la fem generada hace que la corriente circule dentro de la pieza del núcleo magnético. La corriente de circulación, llamada corriente de Foucault, provoca el desperdicio de energía eléctrica. La pérdida causada por la corriente de Foucault se denomina pérdida por corriente de Foucault en una máquina de CC. La pérdida por corrientes de Foucault se puede minimizar mediante el uso de un núcleo laminado. La pérdida por corrientes de Foucault se puede calcular siguiendo la expresión matemática.
Fórmula de pérdida de corrientes de Foucault
Pe = pérdida de corriente de Foucault (vatios)
B= Máxima densidad de flujo Wb/metro2
f= frecuencia en Hz
t= espesor de laminación (m)
V= Volumen del material (metro3)
K = constante de corriente de Foucault
4. Pérdida mecánica en la máquina de CC
La otra pérdida mecánica es la pérdida de viento. El aire que rodea al eje ofrece resistencia y, cuando la máquina de CC gira, la pérdida causada por la resistencia del aire se denomina pérdida por efecto del viento. La máquina de CC extrae energía adicional de la fuente para superar la resistencia del aire y la energía adicional es igual a la pérdida por efecto del viento de la máquina de CC. La pérdida por efecto del viento aumenta con el aumento de la velocidad de la máquina giratoria.
5. Pérdidas dispersas en la máquina de CC
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Pérdidas en Máquina DC – Tipos de Pérdidas
Las máquinas de corriente continua (DC) son esenciales en diversas aplicaciones industriales, desde motores pequeños hasta generadores en centrales eléctricas. A pesar de su eficiencia, es fundamental comprender las pérdidas que pueden afectar su rendimiento y duración. En este artículo, analizaremos los diferentes tipos de pérdidas que ocurren en estas máquinas y cómo pueden ser minimizadas.
Tipos de Pérdidas en una Máquina de CC
Las pérdidas en una máquina de corriente continua se pueden clasificar en varias categorías, cada una con sus características y efectos específicos. A continuación, se detallan los principales tipos de pérdidas:
Pérdida de Cobre
La pérdida de cobre ocurre debido a la resistencia óhmica en los devanados de la máquina. Cuando la corriente fluye a través de ellos, se genera calor, resultando en pérdidas que son proporcionales al cuadrado de la corriente (I2R).
- Pérdida en el Devanado del Inducido: Ocurre en el devanado de la armadura, donde la resistencia es baja.
- Pérdida en el Devanado de Campo: Se produce en el devanado que genera el flujo magnético, generalmente mayor debido a su resistencia más alta.
Pérdida de Resistencia de Contacto del Cepillo
Esta pérdida es debida a la resistencia de contacto entre las escobillas y el conmutador. Aunque idealmente debería ser cero, siempre hay cierta resistencia que provoca una caída de voltaje y, por ende, pérdidas de potencia.
Pérdidas de Núcleo o Pérdidas de Hierro
Estas pérdidas se producen en el núcleo magnético debido a la histéresis y las corrientes de Foucault. Las pérdidas de hierro son generalmente constantes y representan un porcentaje significativo de las pérdidas totales.
- Pérdida de Histéresis: Resulta de la inversión del campo magnético en el núcleo durante el funcionamiento.
- Pérdida de Corrientes de Foucault: Inducidas en el núcleo por la variación de campo magnético, generan corrientes que resultan en pérdidas.
Pérdidas Mecánicas
Estas se deben a la fricción en las partes móviles de la máquina, así como a la resistencia del aire y otros factores mecánicos que pueden afectar su rendimiento.
Impacto de las Pérdidas en el Rendimiento
Las pérdidas en las máquinas de corriente continua tienen un impacto directo en su eficiencia y calentamiento. Un aumento en la temperatura puede reducir la vida útil de la máquina y, en consecuencia, afectar la productividad del sistema en el que están integradas. Entender y mitigar estas pérdidas es clave para maximizar la eficiencia.
Preguntas Frecuentes (FAQs)
¿Qué son las pérdidas de cobre en una máquina DC?
Las pérdidas de cobre son ocasionadas por la resistencia eléctrica en los devanados de la máquina cuando fluye corriente. Se calculan con la fórmula I2R y son más significativas en condiciones de carga máxima.
¿Cómo se pueden minimizar las pérdidas en máquinas DC?
Para minimizar las pérdidas, se recomienda utilizar materiales de mejor conductor para los devanados, mantener adecuadamente las escobillas y optimizar el diseño del núcleo magnético para reducir las corrientes de Foucault.
¿Qué consecuencias tienen las pérdidas mecánicas en el funcionamiento?
Las pérdidas mecánicas, causadas por fricciones y resistencia al movimiento, pueden provocar un aumento de la temperatura y, a largo plazo, el desgaste de componentes, afectando la estabilidad y eficiencia operacional de la máquina.
Gayarre: ¡Hola a todos! La verdad es que este tema de las pérdidas en las máquinas DC siempre me ha intrigado también. Recuerdo que en mi último trabajo, teníamos una máquina que constantemente se calentaba y no sabía por qué. Después de investigar, me di cuenta de que las pérdidas por fricción y el calentamiento eran las culpables. ¡Estuvo muy interesante aprender a optimizarla! Definitivamente un tema que no podemos subestimar.
¡Hola, pedro gaspar! La verdad es que el artículo sobre las pérdidas en las máquinas DC me pareció súper interesante. Me recuerdo cuando estaba en la uni, tuve que hacer un proyecto sobre motores eléctricos y me sorprendió cuánto impacto tienen estas pérdidas en la eficiencia. A veces, uno no se da cuenta de que hasta el roce o la resistencia del cobre pueden afectar tanto. ¡Gracias por compartir esta info!
Feliciano manuel: ¡Ey, pedro gaspar! Totalmente de acuerdo contigo, ese tema de las pérdidas es más complejo de lo que parece. A mí también me pasó algo similar en la uni, estaba trabajando en un proyecto y a medida que investigaba, me di cuenta de lo crucial que es entender cómo cada tipo de pérdida puede afectar el rendimiento del motor. Recuerdo haber quedado sorprendido al descubrir cómo hasta el calor que generan puede causar problemas. ¡Es un mundo fascinante!