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MÁQUINAS ELÉCTRICAS. Generalidades.
Tecnología industrial
INTRODUCCIÓN
Las máquinas eléctricas juegan hoy en día un papel fundamental en nuestras vidas. Desde finales de la
pasada Guerra Mundial, han experimentado rápidos y espectaculares avances en lo que respecta a nuevos tipos,
potencias y exigencias constructivas y funcionales.
Desde las grandes máquinas que se encuentran en muchas factorías industriales hasta el molinillo de café
de nuestra casa, las máquinas eléctricas se han hecho imprescindibles en los tiempos actuales.
Máquina eléctrica es, en general, todo conjunto de mecanismos capaces de generar, aprovechar o
transformar la energía eléctrica.
Las máquinas eléctricas se clasifican en tres grandes grupos:
· Generadores. Transforman cualquier clase de energía no eléctrica (suele ser mecánica) en eléctrica.
· Motores. Transforman la energía eléctrica que reciben en energía mecánica.
· Transformadores. Son máquinas que modifican algunas de las características de la energía eléctrica
(como pueden ser la tensión o la intensidad), para hacer más fácil su transporte o utilización, pero sin transformarla
en otro tipo diferente de energía.
En el esquema se puede apreciar que si la
máquina funciona como generador, el sistema
mecánico suministra energía al sistema eléctrico.
Si, en cambio, la máquina funciona como motor, es
el sistema eléctrico el que entrega energía al
mecánico. Las máquinas eléctricas son, por lo
tanto, reversibles: pueden funcionar como
generadores o como motores.
PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE MAGNETISMO
Campo magnético
Es la perturbación en el espacio que rodea a un imán o una corriente eléctrica y que puede hacerse visible
por la presencia de fuerzas actuantes sobre agentes de prueba tales como limaduras de hierro, agujas imantadas,
corrientes eléctricas, etc.
El campo magnético se representa mediante líneas de fuerza
“líneas de inducción”, cuya dirección coincide con la del vector inducción
magnética en cada punto. Un campo magnético se caracteriza por las
lineas de inducción y por una magnitud vectorial B, que se denomina
inducción magnética, y cuya unidad internacional es el tesla.
Las figuras del margen muestran las lineas de inducción del
campo magnético creado por un imán recto y por un imán en herradura
obtenidas espolvoreando limaduras finas de hierro sobre una hoja de papel
colocada encima del imán. Las limaduras tienden a alinearse según unos
arcos que van del polo norte al polo sur del imán, puesto que se supone
que las lineas de inducción corresponden a las trayectorias descritas por un
polo norte puntual que se moviera libremente bajo la acción del campo; de ahí
que se diga que tales lineas salen del polo norte y entran por el sur, mientras
que en el interior del imán se dirigen del polo sur al norte. Se trata, por lo
tanto, de líneas cerradas, lo que resulta ser consecuencia del carácter
inseparable de los dos polos del imán. En efecto: silos polos magnéticos se
pudieran separar y aislar, las líneas de inducción comenzarían y terminarían
en cada uno de dichos polos, al igual que las líneas de fuerza del campo
eléctrico comienzan y terminan en cargas aisladas.
Fuerza electromotriz inducida
I.E.S. “Cristóbal de Monroy”.Dpto. de Tecnología
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Se ha comprobado experimentalmente que:
Siempre que varíe el flujo magnético a través de un circuito cerrado se originará en él una fuerza
electromotriz inducida.
Lo que permite establecer la siguiente definición:
Fuerza electromotriz inducida es la producida en un circuito
inerte mediante la variación del número de líneas de inducción que
atraviesan la superficie limitada por él.
Lo que nos permite enunciar que:
El valor de la fuerza electromotriz inducida es independiente
de las causas que provocan la variación de flujo y solamente depende
de la mayor o menor rapidez con que varía el flujo a través de la
superficie limitada por el circuito y del número de espiras que éste
posee.
Sentido de la corriente eléctrica inducida.
El sentido de las corrientes inducidas es tal que con sus acciones
electromagnéticas tienden a oponerse a las causas que las producen.
Una forma práctica de determinar el sentido de la corriente inducida
consiste en la aplicación de la llamada «regla de la mano derecha»: se
disponen los dedos pulgar índice y medio de la mano derecha de manera
que formen un triedro trirrectángulo; si el dedo pulgar indica el sentido del
movimiento, y el dedo índice el del campo, el dedo medio señalará el
sentido (convencional) de la corriente, en caso de tratarse de un circuito
cerrado.
Corrientes de Foucault
Debido a que las corrientes inducidas tienden siempre a oponerse
a la causa que las produce, si un conductor metálico macizo es atravesado
por un flujo magnético variable, se engendrarán en su interior unas
corrientes en torbellino, llamadas corrientes de Foucault, que reaccionan
contra el campo que las induce y tienden a oponerse a la variación del flujo
en el interior del metal.
Las corrientes de Foucault son corrientes eléctricas, cerradas
sobre sí mismas, originadas por inducción en los conductores macizos
cuando varia el flujo magnético que los atraviesa.
Inconvenientes y aplicaciones de las corrientes de Foucault
a) Inconvenientes. Principalmente son estos dos: el primero consiste en la
pérdida de energía que tiene lugar en la formación de tales corrientes; el segundo es
el calor -perjudicial en la mayoría de los casos- producido a causa del efecto Joule
por estas corrientes.
b) Aplicaciones. En ocasiones se aprovecha la existencia de las corrientes
de Foucault. Así sucede en los llamados hornos eléctricos de inducción, en los que
el material que deseamos calentar o fundir se coloca formando núcleo con un carrete
recorrido por corrientes alternas de mucha frecuencia. De este modo se consiguen
corrientes de Foucault muy intensas, las cuales, por efecto Joule, calientan tanto al
núcleo metálico que llegan a fundirlo. O en los sistemas de ralentización de vehículos
pesados (frenos eléctricos)
CONSTITUCIÓN DE UNA MÁQUINA ELÉCTRICA.
Desde el punto de vista electromagnético, estas máquinas se pueden considerar constituidas por un
conjunto magnético y dos circuitos eléctricos: uno en el rotor y otro en el estator. Uno de los devanados o arrollamientos, al ser recorrido por una corriente eléctrica, produce la fuerza magnetomotriz necesaria para crear el flujo
que se establece en el conjunto magnético de la máquina, por lo que se denomina arrollamiento inductor o de
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excitación. En el otro enrollamiento, denominado
inducido, se induce una fuerza electromotriz, que da
lugar a un par motor (es el caso de la máquina
eléctrica actuando como motor), o bien a una fuerza
contraelectromotriz, que produce un par resistente
(caso de máquina eléctrica funcionando como
generador).
Por lo general, y como se puede observar en
la figura, estator y rotor van provistos de unas ranuras,
en las cuales se disponen los enrollamientos.
Desde el punto de vista constructivo, en toda
máquina eléctrica rotativa se distinguen tres tipos de
materiales:
· Materiales activos. Son aquéllos que
constituyen el asiento del campo magnético (materiales magnéticos de alta permeabilidad, como hierro, acero,
chapas de hierro aleadas al silicio, aleaciones especiales magnéticas...) o de fuerzas electromotrices inducidas
(materiales buenos conductores de la electricidad, como el cobre o el aluminio).
· Materiales pasivos. Son los materiales aislantes, que, sin intervenir en los fenómenos de conversión de
energía, canalizan las corrientes eléctricas y evitan fugas de corriente indeseadas. Además, permiten la existencia
de diferencias de potencial elevadas entre los propios devanados, o entre los devanados y la masa de la máquina.
· Materiales estructurales. Desempeñan funciones de sustentación, lubricación, accionamiento mecánico,
ventilación...
CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS
Teniendo en cuenta la naturaleza de la corriente eléctrica generada o utilizada, las máquinas eléctricas
rotativas se subdividen en:
- Máquinas de corriente continua.
- Máquinas de corriente alterna.
A su vez, las máquinas de corriente alterna, según la naturaleza de la corriente del devanado inductor, se
dividen en:
- Máquinas excitadas por corriente continua: síncronas.
- Máquinas excitadas por corriente alterna: asíncronas (o de inducción) y de colector.
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MÁQUINAS ELÉCTRICAS. El alternador.
II
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EL ALTERNADOR
Introducción
El alternador y la dinamo, son generadores de corriente que transforman la energía mecánica que recibe
en su árbol en energía eléctrica que se recoge en sus bornes.
El mayor inconveniente de las dinamos es su régimen de funcionamiento,
ya que, en sus velocidades críticas no suministra corriente hasta un número
determinado de revoluciones, alrededor de unas 1 500, y tampoco se puede
emplear una multiplicación en la transmisión para obtener la carga a un bajo
régimen del motor; cuando éste funcionase a un régimen alto en carretera, la
velocidad de la dinamo sobrepasarla sus límites críticos de máxima velocidad.
La posibilidad de giro en los alternadores permite su acoplamiento, de
forma que inicie la carga y entrega de corriente con el motor funcionando a ralentí,
consiguiéndose su potencia nominal a un reducido régimen de revoluciones; esto
permite alimentar todos los servicios instalados en el vehículo, aun en
condiciones adversas, quedando la batería como elemento reservado para la
puesta en marcha del mismo, y encontrándose siempre con carga suficiente para
una buena prestación de servicio.
Características del alternador
Aunque la producción de corriente en esta máquina es análoga a la de la
dinamo, se diferencia esencialmente en que las bobinas inducidas permanecen
estáticas, siendo el campo inductor el que se mueve con el rotor, alimentado con
corriente continua procedente del mismo generador a través de dos anillos
rozantes situados en el eje del rotor.
Esta disposición de los elementos del alternador proporciona grandes ventajas al mismo, tales como el
poder girar a grandes revoluciones sin deterioro en sus elementos móviles, cosa que no ocurría en la dinamo, cuya
velocidad máxima quedaba limitada por efecto de su colector y de sus escobillas. Con el alternador se consigue una
mayor potencia útil para un mismo volumen y peso que en la dinamo.
Descripción y características de sus componentes
Un alternador tipo está constituido por los siguientes elementos:
Un conjunto inductor formado en el rotor o inductor (5) del alternador.
Un conjunto inducido formado en el estator (4).
Un conjunto puente rectificador (6) y (7).
Carcasa y demás elementos complementarios de la máquina.
En la figura pueden verse con detalle el despiece de diferentes tipos de alternadores
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MÁQUINAS ELÉCTRICAS. El alternador.
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Rotor o inductor
El rotor, o elemento móvil del alternador, es el encargado de crear el campo
magnético inductor, el cual en su desplazamiento de giro crea la variación de flujo
necesaria en las espiras del estator, para generar en ellas la fuerza electromotriz
inducida y, por tanto, la corriente eléctrica.
Constitución del conjunto
El conjunto está formado por un eje o
árbol (1) sobre el cual va montado un núcleo magnético (2) formado por dos
piezas de acero forjado que llevan unos salientes o dedos entrelazados sin
llegar a tocarse, que constituyen los polos del campo magnético inductor.
Cada una de las dos mitades del núcleo lleva 4 ó 6 salientes, con lo que se
obtiene un campo inductor formado por 8 ó 12 polos.
En el interior de los polos, va montada una bobina inductora (3) de
hilo de cobre aislado y de muchas espiras, bobinada sobre un carrete de
material termoplástico.
En uno de los lados del eje, va montada una pieza de material
termoestable fija al eje del rotor, en la que se encuentran moldeados dos
anillos rozantes de cobre (4), a los cuales se unen los extremos de la bobina
inductora. A través de estos anillos, y por medio de dos escobillas de carbón
grafitado la bobina recibe la corriente de excitación generada por el propio
alternador a través del equipo rectificador (autoexcitación).
Este equipo móvil perfectamente equilibrado dinámicamente, para
evitar vibraciones, constituye un conjunto extraordinariamente robusto que
puede girar a gran velocidad sin peligro alguno, al no tener como la dinamo elementos que pueden ser expulsados
por efecto de la fuerza centrífuga, como ocurre con el colector y bobinas inducidas.
Estator o inducido
El estator es el elemento donde van alojados los conductores inducidos que generan
la corriente eléctrica.
Armazón del estator
Está formado por un paquete ensamblado de chapas magnéticas (1) de acero suave
laminado en forma de corona circular, troqueladas interiormente para formar en su unión las
ranuras donde se alojan las bobinas inducidas (2); tienen mecanizado el diámetro exterior
para su encaje y acoplamiento en la carcasa, que cierra el conjunto del alternador.
Devanado del estator
El devanado de los conductores que
forman el inducido está constituido
generalmente por tres arrollamientos separados y repartidos
perfectamente aislados en las ranuras que forman el estator. Estos
tres arrollamientos, o fases del alternador, pueden ir conectados
según el tipo, en estrella o en triángulo, obteniendo de ambas formas
una corriente alterna trifásica, a la salida de sus bornes.
Equipo rectificador
El alternador produce corriente alterna y si se requiere corriente continua, se precisa un equipo rectificador.
Este conjunto, formado por varios diodos de silicio, puede ir montado directamente en la carcasa lado anillos
rozantes o en un soporte en forma de corona circular cortada, conexionados a cada una de las fases del estator,
formando un puente rectificador, obteniendo a la salida del mismo una corriente continua.
Diodo
El diodo está formado por un envase metálico, con un cristal de silicio en su interior, unido a un vástago
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de conexión y relleno de silicona. Tiene la misión de rectificar la corriente alterna
obtenida en el estator, por su propiedad de dejar circular la corriente eléctrica en un
sólo sentido.
Portaescobillas y equipo rectificador
La parte de carcasa lado anillos rozantes (7) lleva sujeto en su interior el
portaescobillas (8), sobre el que se deslizan las mismas perfectamente aisladas y que
reciben corriente directamente del equipo regulador. Sobre esta parte de carcasa se
monta, sujeto a ella, el equipo rectificador y las tomas de corriente del alternador, así
como el equipo de regulación electrónica en los alternadores que llevan este tipo de
regulación incorporado.
Carcasa y elementos complementarios
La carcasa, o cuerpo del alternador está formada por dos semicuerpos o mitades
de aluminio fundido (3) y (7), sirviendo de cierre al conjunto donde se alojan los
componentes del mismo y soporta los rodamientos a bolas sobre los que se mueve el eje
o árbol del rotor (5).
Ventilador y polea
Por el exterior del conjunto y sobre el árbol del rotor en el lado opuesto al de los anillos rozantes, va montado
el ventilador (2), diseñado para mover el caudal de aire necesario para la ventilación del alternador y la polea de
mando (1), fabricada en chapa de acero o en aluminio, con una garganta trapezoidal para alojar la correa de mando
de la transmisión.
Funcionamiento eléctrico.
El funcionamiento y generación de la corriente en los alternadores está basado en los mismos principios
de inducción electromagnética que la dinamo, de forma que un conductor situado bajo la influencia de las líneas de
fuerza de un campo inductor genera en él una fuerza electromotriz inducida cuando existe una variación de flujo.
En los alternadores, el campo magnético inductor lo crea la bobina del rotor, al ser alimentada por corriente
continua a través de sus anillos rozantes; y la disposición de sus masas polares crea un campo magnético, cuyas
líneas de fuerza atraviesan en toda su periferia los conductores situados en el estator.
Al girar el rotor, los conductores situados en el estator van cortando el flujo emitido por las masas polares,
cuyo corte de líneas de fuerza estará en función del giro producido por el rotor; así crean la variación de flujo
necesaria para inducir en los conductores del estator una fuerza electromotriz, que será proporcional al campo
magnético inductor y a la velocidad de giro de la máquina:
El rotor en su giro va enfrentando sucesivamente sus polos de signo contrario con los conductores del
estator, creando en ellos corrientes, cuyo sentido o dirección va cambiando, según el polo que tenga enfrente; la
corriente generada y obtenida a la salida de los arrollamientos del estator será una corriente alterna sinusoidal, cuya
frecuencia (f) o número de alternancias por segundo estará en función del número de polos (p) y de la velocidad de
régimen en r. p. m. (n)de la máquina:
- Rectificación de la corriente. La obtenida a la salida de los arrollamientos inducidos es rectificada por
medio de un puente rectificador, a base de diodos de silicio; se obtiene de esta forma una corriente continua en los
bornes del alternador.
Tipos de alternadores y características eléctricas de los mismos.
Muchos son los modelos de alternador existentes en el mercado construidos por diversos fabricantes; se
diferencian unos de otros esencialmente por la tensión e intensidad que son capaces de proporcionar.
Clasificación de los alternadores. Según la disposición y conexionado de los arrollamientos situados en el
estator, los alternadores utilizados en automoción pueden ser: monofásicos o trifásicos; conexionados éstos últimos
en estrella o en triángulo, se obtienen distintas características eléctricas en los mismos.
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A l t e r n a d o r e s
Alternador monofásico.El
por un solo arrollamiento con
circuitos en paralelo; sus
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monofásicos
alternador monofásico puede estar formado
todas sus bobinas en serie o formando dos
extremos libres .
Alternadores trifásicos
Los alternadores trifásicos están formados por tres arrollamientos separados en su estator, constituyendo
un sistema de tres corrientes alternas
monofásicas de igual valor eficaz, y desfasadas
120º eléctricos. Estos tres
arrollamientos pueden conexionarse en estrella
o en triángulo, teniendo cada uno de
ellos características diferentes en cuanto a la
tensión e intensidad.
Alternador trifásico conexionado
La conexión en estrella consiste
fase del estator, conexionando los
Alternador
trifásico
Consiste esta conexión en
siguiente y los tres puntos de
hexadiodo.
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en estrella
en unir en un punto común los finales de cada
principios a un puente rectificador hexadiodo.
conexionado en triángulo
unir el principio de cada fase con el final de la
conexión con el puente rectificador