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CALCULO Y DISEÑO DE MAQUINAS ELECTRICAS
PREFACIO
Por los Ings. Jorge N. L. Sacchi - Alfredo Rifaldi
INTRODUCCION AL CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS
En esta obra se encara el cálculo de las cuatro máquinas clásicas, el transformador, el generador sincrónico de polos salientes y de polos lisos, el motor asincrónico, y el motor de corriente continua.
La división natural y que nos pareció conveniente es en cuatro volúmenes, cada uno dedicado a una máquina en particular, y para lograr tamaños comparables los apéndices fueron distribuidos en una forma arbitraria pero lógica.
Quienes utilicen un solo volumen serán sin duda víctimas de la dificultad que implica el no tener los conceptos y referencias tratados en otro, aún así creemos que podrán aprovechar el material en sus manos.
La obra nació para ser utilizada con alumnos del último año de la carrera de ingeniería eléctrica, experimentando nuevas formas de mayor rendimiento y velocidad de transmitir el conocimiento tecnológico, quizás adelantándonos a ciertas ideas, hoy tan en boga, de comunicación de la innovación tecnológica.
Se trata de que los alumnos reciban los conceptos básicos, poniendo especial atención en el cálculo de los circuitos electromagnéticos, es decir, la geometría de la máquina y la determinación de los parámetros esenciales, sin perder de vista el aspecto del comportamiento frente a las solicitaciones dieléctricas térmicas y electrodinámicas, que a su vez están íntimamente vinculadas con los criterios de diseño a utilizar.
La consecuencia natural de este modo de enseñar y aprender, que significa cierto ahorro en el tiempo de transferencia, implica finalmente disponer de mayor tiempo que puede dedicarse para profundizar el análisis de algunos problemas específicos que se presentan con las máquinas clásicas, como también problemas que plantean máquinas especiales.
El objetivo de la obra es que el alumno se familiarice con la resolución de los distintos problemas de cálculo que aparecen, y haga experiencia encontrando las dificultades que implica el alcanzar con éxito una determinada solución constructiva.
Para forzar el máximo aprovechamiento de la metodología de trabajo y aprender a utilizar el programa que en sí es rígido, frente a problemas flexibles y que generalmente resultan incontrolables para quien encara su resolución, se han desarrollado ejemplos de aplicación y propuesto ejercicios.
La mejor síntesis de lo que significa el proyecto de una máquina eléctrica fue expresada por el Prof. G. M. PESTARINI, que en su libro titulado "ELETROMECCANICA - Fondamenti di costruzione comuni a tutte le macchine", escribe que (la máquina eléctrica es sede de varios campos superpuestos: el campo eléctrico, el campo magnético, el de corriente, el de fuerzas motrices, el de flujos de calor, el de velocidad de fluidos refrigerantes y el de fuerzas elásticas de los materiales solicitados por las fuerzas motrices, siendo el principal objetivo del proyectista obtener los resultados prefijados en el modo más simple y económico).
El constructor de máquinas eléctricas frecuentemente recurre a cálculos relativamente simples y a interpolaciones basadas en la experiencia adquirida en sus construcciones precedentes.
Además muchas veces el constructor debe afrontar problemas nuevos y estudiar perfeccionamientos laboriosos para alcanzar el objetivo deseado.
El cálculo de una máquina presenta serias dificultades ya que no puede ser planteado como un sistema de ecuaciones (el número de incógnitas supera ampliamente el número de ecuaciones que se pueden plantear), en consecuencia esta es una tarea que se resuelve mediante sucesivas aproximaciones, orientadas por la experiencia que permite juzgar adecuadamente los resultados parciales y mejorar rápidamente la solución.
La herramienta que utiliza el mundo industrial en la actualidad para resolver sus realizaciones, es la computadora. En este trabajo se propone su aplicación para el aprendizaje del cálculo de máquinas eléctricas, lo que permite al lector en tiempos breves reunir una experiencia relativamente amplia.
En efecto con la ayuda de programas de computadora se logra la realización de un cúmulo de trabajo imposible de obtener de otra manera. Se presenta una metodología en la cual la aplicación de los algoritmos de cálculo está acompañada con la resolución de problemas concretos, y por otra parte con el enfoque de criterios constructivos utilizados en las construcciones normales.
El lector notará cierta originalidad en este texto, las fórmulas no están escritas en la forma habitual; en efecto, como primero hicimos los programas y luego se escribió el texto explicativo, las fórmulas incluidas en él surgieron del programa.
Así los lectores que conocen lenguajes computacionales identificarán nombres de variables de varios caracteres habituales en Fortran, Basic etc.
Finalmente al escribir la versión actual utilizando las facilidades de los editores de ecuaciones, las fórmulas fueron escritas en una notación híbrida que esperamos ayude al lector a iniciar la transición de lo que desde el siglo XV se utilizó en matemáticas y la propuesta de la programación actual.
De los resultados del cálculo numérico se debe alcanzar una solución que además de construible satisfaga los requerimientos de las normas, es entonces necesario realizar los croquis constructivos de las distintas partes que permitan visualizar los resultados, y analizar críticamente si los mismos satisfacen los requisitos impuestos.
A medida que el trabajo avanza se debe evaluar el grado de incidencia de cada parámetro y efectuar las correcciones convenientes para lograr una mejor solución.
El uso de programas evita el tedioso trabajo de cálculo manual, pero obliga a dedicar todo el tiempo disponible al análisis de los resultados rápidamente obtenidos.
Alrededor del tema específico del cálculo de una máquina eléctrica, se desarrollan una serie de otras actividades (que tienen entre si íntima vinculación), que van desde especificar, predimensionar, presupuestar, adquirir, proyectar, construir, ensayar, utilizar, mantener, hasta analizar eventuales fallas y reparar.
Todas estas actividades requieren de un adecuado conocimiento de las máquinas también desde el punto de vista constructivo.
En el estudio de la construcción de las máquinas eléctricas, no se debe perder de vista el carácter formativo que este tema tiene, no se trata sólo de calcular, sino de establecer el nexo entre las distintas actividades citadas.
Al momento de nacer los programas la disponibilidad de computadoras personales era aún escasa, y resultaba ilusorio pensar en su utilización en el aula, al mismo tiempo sólo pocos eran los privilegiados alumnos que podían acceder a ellas, razón por la cual intentamos que el alumno pudiera ayudarse de la computadora sin saber nada de computación y en consecuencia el programa genera un informe que volcado a papel permite al alumno su estudio en cualquier lugar.
El avance vertiginoso de la informática actualmente hoy nos orientaría a un diseño de programas interactivos, sin embargo creemos que el alumno puede lograr un mejor aprovechamiento del tiempo leyendo los informes generados por el programa, situación que pone en evidencia que la propuesta presentada es la mejor.
A partir del enunciado de un problema se pueden preparar los datos, completando sólo aquellos esenciales que el programa requiere y ejecutar una corrida, es bueno que quien enseña tenga preparado un cuestionario que le exija al alumno buscar resultados, dibujar geometría, responder porque, proponer mejoras y recién sobre esta base continuar en busca de la optimización del diseño.
La modalidad de trabajo aquí propuesta exige un avance gradual en la utilización de estos programas.
Con el auxilio de este medio se pueden realizar cálculos con hipótesis más rigurosas que permiten aproximarse mejor a la solución aspirada.
Los resultados que se obtienen son correctos desde el punto de vista formal, pero deben ser correctos además desde el punto de vista lógico que surge del análisis de los mismos.
El lector no debe olvidar que los resultados numéricos muchas veces pueden carecer de sentido si no se tiene en cuenta los errores que afectarán a la construcción y que nada tienen que ver con la exactitud numérica obtenida del cálculo.
Esta es la experiencia que proponemos realizar: a trabajar!
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