Máquinas eléctricas


Resumen: Este trabajo tiene como objetivo fundamental, presentar al alumno información básica sobre las características fundamentales de las máquinas eléctricas. Se parte de una clasificación general, hasta llegar a una más particular, y según esta clasificación, brindar información sobre el principio de funcionamiento de estas, parámetros característicos que deben ser conocidos para el mejor manejo, una apropiada explotación a nivel industrial y se comentan algunas de las aplicaciones más elementales de estas máquinas.


Introducción


Una máquina eléctrica es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en otra energía, o bien, en energía eléctrica pero con una presentación distinta, pasando esta energía por una etapa de almacenamiento en un campo magnético. Las máquinas eléctricas se clasifican en tres grandes grupos:



Los generadores transforman energía mecánica en eléctrica, y lo inverso sucede en los motores. El motor se puede clasificar en motor de corriente continua o motor de corriente alterna.


Los transformadores y convertidores conservan la forma de la energía eléctrica pero transforman sus características.



Desde el punto de vista mecánico, las máquinas eléctricas se pueden clasificar en:



Las máquinas rotativas están provistas de partes giratorias, como las dinamos, alternadores, motores. Las máquinas estáticas no disponen de partes móviles, como los transformadores.


Potencia de las máquinas eléctricas


La potencia de una máquina eléctrica es la energía desarrollada en la unidad de tiempo. La potencia de un motor es la que se suministra por su eje. Una dinamo absorbe energía mecánica y suministra energía eléctrica, y un motor absorbe energía eléctrica y suministra energía mecánica.


La potencia que entrega una máquina en un instante determinado depende de las condiciones externas a ella; en una dinamo del circuito exterior de utilización y en un motor de la resistencia mecánica de los mecanismos que mueve.


Una de las características de las máquinas eléctricas es la potencia nominal, que se define como la potencia que puede suministrar sin que la temperatura llegue a los límites establecidos por los materiales empleados. Cuando la máquina trabaja en esta potencia se dice que está a plena carga. Cuando una máquina trabaja durante breves instantes a una potencia superior a la nominal se dice que está trabajando en sobrecarga.


Clasificación según el servicio


Es importante conocer la clase de servicio a la que estará sometida una máquina:


Rendimiento


De manera general, se define como la relación entre la potencia útil y la potencia absorbida expresado en %



Máquinas eléctricas rotativas


Muchos dispositivos pueden convertir energía eléctrica a mecánica y viceversa. La estructura de estos dispositivos puede ser diferente, dependiendo de las funciones que realicen. Algunos dispositivos son usados para conversión continua de energía, y son conocidos como motores y generadores. Otros dispositivos pueden ser: actuadores, tales como solenoides (bobinas), relés y electromagnetos. Todos ellos son física y estructuralmente diferentes, pero operan con principios similares.


Un dispositivo electromecánico de conversión de energía es esencialmente un medio de transferencia entre un lado de entrada y uno de salida, como lo muestra la fig. 1.1. En el caso de un motor, la entrada es la energía eléctrica, suministrada por una fuente de poder y la salida es energía mecánica enviada a la carga, la cual puede ser una bomba, ventilador, etc.


El generador eléctrico convierte la energía mecánica por una máquina prima (turbina) a energía eléctrica en el lado de la salida. La mayoría de estos dispositivos pueden funcionar, tanto como motor, como generador.



Diagrama de bloques de dispositivos electromecánicos de conversión de energía,
(a) motor, (b) generador.


Flujos de potencia y pérdidas


Un sistema electromecánico de conversión tiene tres partes esenciales:


(1) Un sistema eléctrico.
(2) Un sistema mecánico.
(3) Un campo que los une.

Las pérdidas las podemos clasificar dentro de las siguientes categorías:


1.- Pérdidas en el cobre de los devanados (rotor y estator): Las pérdidas en el cobre de una máquina son las pérdidas por calentamiento debido a la resistencia de los conductores del rotor y del estator: P=I2R.

2.- Pérdidas en el núcleo: Las pérdidas del núcleo se deben a la histéresis y a las corrientes parásitas. Con frecuencia a estas pérdidas se les conoce como pérdidas de vacío o pérdidas rotacionales de una máquina. En vacío, toda la potencia que entra a la máquina se convierte en estas pérdidas.

3.- Pérdidas mecánicas: Las pérdidas mecánicas se deben a la fricción de los rodamientos y con el aire.

4.- Pérdidas adicionales: Las pérdidas adicionales son todas aquellas pérdidas que no se pueden clasificar en ninguna de las categorías descritas arriba. Por convención, se asume que son iguales al 1% de salida de la máquina.

La eficiencia de una máquina es una relación entre su potencia útil de salida y su potencia total de entrada: = (Psal/Pent)100.


Panorámica sobre el uso de las máquinas eléctricas rotativas


Como se ha expuesto anteriormente, con estos dispositivos electromecánicos de conversión, podemos transformar energía en ambos sentidos (MECANICA-ELECTRICA). Esto ha sido aprovechado por el hombre para construir sus sistemas generadores, transmisores y consumidores de potencia, los cuales son la base del desarrollo y actividad mundial. La figura 1.2 muestra a grandes rasgos un sistema de estos.



Sistema de generación, transmisión, distribución, y consumo de energía.


En la figura apreciamos que se utiliza una fuente de energía mecánica para mover el generador eléctrico. Esta fuente de energía mecánica puede ser la turbina de una instalación hidroeléctrica o ser impulsada por el vapor de agua de una caldera o reactor nuclear; también podemos quemar combustible fósil en un motor de combustión interna.


El generador produce típicamente un nivel de 10 KV con grandes corrientes. Aquí termina la parte de "generación". 10 KV no es el nivel de voltaje adecuado para transmitir la energía eléctrica a grandes distancias, ya que las corrientes en las líneas serían muy grandes y las pérdidas I2R serían altísimas; por eso se eleva el voltaje a 400 KV y se reducen en 40 veces las corrientes, con lo que las pérdidas de potencia (que se calcula como I2R) disminuyen 1600 veces y el requerimiento del grosor del cable es menor.


Al llegar a los centros de consumo (ciudades, parques industriales, etc.), debemos reducir el nivel de voltaje a valores más seguros para la población (típicamente 13.5 KV). La distribución es el paso anterior al consumo. Finalmente, la energía llega al hogar, industria, etc., con un nivel seguro de 110V o , como en nuestro país, de 220V, donde es utilizada en iluminación, refrigeración, calefacción, motores, etc. Aquí cabe también dar mérito al transformador por su participación en el sistema, la cual eleva la eficiencia de dicho sistema, evitando pérdidas y aumentando la seguridad en el manejo de la energía.


Conversión electromagnética:


Como vimos anteriormente, el intermediario entre la energía mecánica-eléctrica y viceversa resulta de los dos siguientes fenómenos electromagnéticos:


1.- Cuando un conductor se mueve dentro de un campo magnético, se origina una corriente en el conductor.
2.- Cuando un conductor por el que circula una corriente se coloca en un campo magnético, el conductor experimenta fuerza mecánica.

Esos dos efectos ocurren simultáneamente donde la conversión de energía se lleva a cabo. En acción motora, el sistema eléctrico hace fluir una corriente a través de conductores localizados en un campo magnético. Una fuerza es producida en cada conductor. Si el conductor tiene la posibilidad de rotar libremente, esta fuerza producirá un torque que tenderá a hacerlo rotar. Si los conductores giran en un campo magnético, un voltaje será inducido en cada conductor.


En la acción generadora, el proceso es al revés: la estructura giratoria (rotor) es movida por una máquina prima externa, entonces, un voltaje se inducirá en los conductores. Si una carga eléctrica es conectada a ellos, una corriente "I" fluirá, entregando energía a la carga. Sin embargo, la corriente fluyendo a través del conductor interactuará con el campo magnético que producirá un torque de reacción, que tenderá a oponerse al torque aplicado por la máquina prima.


Note que en ambas acciones, generadoras y motoras, el campo magnético acoplador está relacionado con la producción del torque y del voltaje inducido.


Voltaje inducido (e)


Una expresión puede ser derivada para el voltaje inducido en un conductor moviéndose en un campo magnético (fig. 1.3). Si un conductor de longitud "l" se mueve en una línea con velocidad "v" en un campo magnético "B". El voltaje inducido en el conductor es:



Conductor moviéndose en un campo magnético.


donde B, l y v son mutuamente perpendiculares.


Máquina rotativa elemental:


Clasificación:


La estructura de una máquina eléctrica tiene dos componentes principales, llamados estator y rotor, que están separados por un entrehierro.


Estator:


El estator es el elemento que opera como base, permitiendo que desde ese punto se lleve a cabo la rotación de la máquina. El estator no se mueve mecánicamente, pero si magnéticamente. Existen dos tipos de estatores:


a) Estator de polos salientes
b) Estator rasurado

El estator está constituido principalmente de un conjunto de láminas de acero al silicio (y se les llama "paquete"), que tienen la habilidad de permitir que pase a través de ellas el flujo magnético con facilidad; la parte metálica del estator y los devanados proveen los polos magnéticos.


Los polos de una máquina siempre son pares (pueden ser 2, 4, 6, 8, 10, etc.,), por ello el mínimo de polos que puede tener un motor para funcionar es dos (un norte y un sur).


Rotor


El rotor es el elemento de transferencia mecánica, ya que de él depende la conversión de energía. Los rotores, son un conjunto de láminas de acero al silicio que forman un paquete, y pueden ser básicamente de tres tipos:

a) Rotor ranurado
b) Rotor de polos salientes
c) Rotor jaula de ardilla

Carcasa:


La carcasa es la parte que protege y cubre al estator y al rotor, el material empleado para su fabricación depende del tipo de máquina, de su diseño y su aplicación. Así pues, la carcasa puede ser:


a) Totalmente cerrada
b) Abierta
c) A prueba de goteo
d) A prueba de explosiones
e) De tipo sumergible

Base:


La base es el elemento en donde se soporta toda la fuerza mecánica de operación de la máquina, puede ser de dos tipos:

a) Base frontal
b) Base lateral

Caja de conexiones:
Por lo general, en la mayoría de los casos las máquinas eléctricas cuentan con caja de conexiones. La caja de conexiones es un elemento que protege a los conductores que alimentan al motor, resguardándolos de la operación mecánica del mismo, y contra cualquier elemento que pudiera dañarlos.


Tapas:


Son los elementos que van a sostener en la gran mayoría de los casos a los cojinetes o rodamientos que soportan la acción del rotor.


Cojinetes:


También conocidos como rodamientos, contribuyen a la óptima operación de las partes giratorias de la máquina. Se utilizan para sostener y fijar ejes mecánicos, y para reducir la fricción, lo que contribuye a lograr que se consuma menos potencia. Los cojinetes pueden dividirse en dos clases generales:


a) Cojinetes de deslizamiento. Operan enl base al principio de la película de aceite, esto es, que existe una delgada capa de lubricante entre la barra del eje y la superficie de apoyo.



(a) Estructura de una máquina sincrónica.
(b) Estator laminado (c) Detalle de la flecha


b) Cojinetes de rodamiento. Se utilizan con preferencia en vez de los cojinetes de deslizamiento por varias razones:


La figura anterior ilustra una de estas máquinas.


Videos sobre máquinas eléctricas:


El transformador:



El motor eléctrico:



El alternador (generador):