Una mquina elctrica es un dispositivo que transforma la energa
cintica en otra energa, o bien, en energa potencial pero con una
presentacin distinta, pasando esta energa por una etapa de
almacenamiento en un campo magntico. Se clasifican en tres grandes
grupos: generadores, motores y transformadores. Los generadores
transforman energa mecnica en elctrica, mientras que los motores
transforman la energa elctrica en mecnica haciendo g irar un eje.
El motor se puede clasificar en motor de corriente continua o motor
de corriente alterna. Los transformadores y convertidores conservan
la forma de la energa pero transforman sus caractersticas.Una
mquina elctrica tiene un circuito magntico y dos circuitos
elctricos. Normalmente uno de los circuitos elctricos se llama
excitacin, porque al ser recorrido por una corriente elctrica
produce los amperivueltas necesarios para crear el flujo
establecido en el conjunto de la mquina.Desde una visin mecnica,
las mquinas elctricas se pueden clasificar en rotativas y estticas.
Las mquinas rotativas estn provistas de partes giratorias, como las
dinamos, alternadores, motores. En las mquinas rotativas hay una
parte fija llamada esttor y una parte mvil llamada rotor.
Normalmente el rotor gira en el interior del esttor. Al espacio de
aire existente entre ambos se le denomina entrehierro. Las mquinas
estticas no disponen de partes mviles, como los transformadores.La
potencia de una mquina elctrica es la energa desarrollada en la
unidad de tiempo. La potencia de un motor es la que se suministra
por su eje. Una dinamo absorbe energa mecnica y suministra energa
elctrica, y un motor absorbe energa elctrica y suministra energa
mecnica.La potencia que da una mquina en un instante determinado
depende de las condiciones externas a ella; en un dinamo del
circuito exterior de utilizacin y en un motor de la resistencia
mecnica de los mecanismos que mueve.Entre todos los valores de
potencia posibles hay uno que da las caractersticas de la mquina,
es la potencia nominal, que se define como la que puede suministrar
sin que la temperatura llegue a los lmites admitidos por los
materiales aislantes empleados. Cuando la mquina trabaja en esta
potencia se dice que est a plena carga. Cuando una mquina trabaja
durante breves instantes a una potencia superior a la nominal se
dice que est trabajando en sobrecarga.Clasificacin segn el
servicio: Es importante conocer la clase de servicio a la que estar
sometida una mquina: Servicio continuo: Corresponde a una carga
constante durante un tiempo suficientemente largo como para que la
temperatura llegue a estabilizarse. Servicio continuo variable: Se
da en mquinas que trabajan constantemente pero en las que el rgimen
de carga vara de un momento a otro. Servicio intermitente: Los
tiempos de trabajo estn separados por tiempos de reposo. Factor de
marcha es la relacin entre el tiempo de trabajo y la duracin total
del ciclo de trabajo. Servicio unihorario: La mquina est una hora
en marcha a un rgimen constante superior al continuo, pero no llega
a alcanzar la temperatura que ponga en peligro los materiales
aislantes. La temperatura no llega a estabilizarse.
Un generador elctrico es todo dispositivo capaz de mantener una
diferencia de potencial elctrica entre dos de sus puntos (llamados
polos, terminales o bornes) transformando la energa mecnica en
elctrica. Esta transformacin se consigue por la accin de un campo
magntico sobre los conductores elctricos dispuestos sobre una
armadura (denominada tambin esttor). Si se produce mecnicamente un
movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generar
una fuerza electromotriz (F.E.M.). Este sistema est basado en la
ley de Faraday.Aunque la corriente generada es corriente alterna,
puede ser rectificada para obtener una corriente continua. En el
diagrama adjunto se observa la corriente inducida en un generador
simple de una sola fase. La mayora de los generadores de corriente
alterna son de tres fases. Generador de corriente alterna: el
alternadorLos generadores de corriente alterna o alternadores son
mquinas que transforman energa mecnica, que reciben por el rotor,
en energa elctrica en forma de corriente alterna. La mayora de
alternadores son mquinas de corriente alterna sncrona, que son las
que giran a la velocidad de sincronismo, que est relacionada con el
nombre de polos que tiene la mquina y la frecuencia de la fuerza
electromotriz. Esta relacin hace que el motor gire a la misma
velocidad que le impone el esttor a travs del campo magntico. Esta
relacin viene dada por la expresin:
Donde f es la frecuencia a la cual esta conectada la mquina y P
es el numero de pares de polos.Modelizacin del funcionamiento de un
generadorSu estructura es la siguiente: Esttor: Parte fija exterior
de la mquina. El esttor est formado por una carcasa metlica que
sirve de soporte. En su interior encontramos el ncleo del inducido,
con forma de corona y ranuras longitudinales, donde se alojan los
conductores del enrollamiento inducido. Rotor: Parte mvil que gira
dentro del esttor El rotor contiene el sistema inductor y los
anillos de rozamiento, mediante los cuales se alimenta el sistema
inductor. En funcin de la velocidad de la mquina hay dos formas
constructivas. Rotor de polos salidos o rueda polar: Utilizado para
turbinas hidrulicas o motores trmicos, para sistemas de baja
velocidad. Rotor de polos lisos: Utilizado para turbinas de vapor y
gas, estos grupos son llamados turboalternadores. Pueden girar a
3000, 1500 o 1000 r.p.m. en funcin de los polos que tenga.El
alternador es una mquina elctrica rotativa sncrona que necesita de
una corriente de excitacin en el bobinaje inductor para generar el
campo elctrico y funcionar. Por lo tanto su diagrama de
funcionamiento es el siguiente:Diagrama de funcionamiento del
alternadorAl ser mquinas sncronas que se conectan a la red han de
trabajar a una frecuencia determinada. En el caso de Europa y
algunas zonas de Latinoamrica se trabaja a 50 Hz, mientras que en
los Estados Unidos usan 60 Hz. En aplicaciones especiales como en
el caso de la aeronutica, se utilizan frecuencias ms elevadas, del
orden de los 400 Hz.El principio de funcionamiento de los
alternadores es el mismo que hemos estudiado hasta ahora, con una
pequea diferencia. Para generar el campo magntico, hay que aportar
una corriente de excitacin(Ie) en corriente continua. Esta
corriente genera el campo magntico para conseguir la corriente
inducida(Ii) que ser corriente alterna.Los alternadores estn
acoplados a una mquina motriz que les genera la energa mecnica en
forma de rotacin. Segn la mquina motriz tenemos tres tipos: Mquinas
de vapor: Se acopla directamente al alternador. Generan una
velocidad de giro baja y necesitan un volante de inercia para
generar una rotacin uniforme. Motores de combustin interna: Se
acoplan directamente y las caractersticas son similares al caso
anterior. Turbinas hidrulicas: La velocidad de funcionamiento tiene
un rango muy amplio. Estos alternadores estn diseados para
funcionar bien hasta el doble de su velocidad de rgimen.Efectos del
funcionamiento de un alternadorCuando un alternador funciona
conectado a un circuito exterior se crean corrientes inducidas que
nos generan los siguientes efectos: Cada de tensin en los bobinajes
inducidos: La resistividad que nos presentan los conductores hace
que tengamos una cada de tensin. Efecto de reaccin en el inducido:
El tipo de reaccin que tendremos en el inducido depender de la
carga conectada: Resistiva. Inductiva Capacitiva. Efecto de
dispersin del flujo magntico: Hay lneas de fuerza que no pasan por
el inducido, se pierden o llegan al siguiente polo. Cuanto ms alta
sea la corriente del inducido, ms prdidas por dispersin nos
encontramos.Generador de corriente continua: dinamoEl generador de
corriente continua, tambin llamado dinamo, es una mquina elctrica
rotativa a la cual le suministramos energa mecnica y la transforma
en energa elctrica en corriente continua. En la actualidad se
utilizan muy poco, ya que la produccin y transporte de energa
elctrica es en forma de corriente alterna.Una de las caractersticas
de las dinamos es que son mquinas reversibles: se pueden utilizar
tanto como generador o como motor. El motor es la principal
aplicacin industrial de la dinamo, ya que tiene facilidad a la hora
de regular su velocidad de giro en el rotor.Las principales partes
de esta mquina son: Esttor: es la parte fija exterior de la dinamo.
El esttor contiene el sistema inductor destinado a producir el
campo magntico. Est formado por: Polos inductores: Diseados para
repartir uniformemente el campo magntico. Distinguimos en ellos el
ncleo y la expansin polar. El nmero de polos ha de ser par, en caso
de mquinas grandes se han de utilizar polos auxiliares. Devanado
inductor: Son las bobinas de excitacin de los polos principales,
colocadas alrededor del ncleo. Estn hechos con conductores de cobre
o de aluminio recubiertos por un barniz aislante. Culata: La culata
sirve para cerrar el circuito magntico y sujertar los polos. Esta
construida con material ferromagntico. Rotor: es la Parte mvil que
gira dentro del esttor. El rotor al estar sometido a variacin de
flujo crea la fuerza electromotriz inducida, por lo tanto contiene
el sistema inducido. Est formado por: Ncleo del inducido: Cilindro
construido para reducir las prdidas magnticas. Dispone de ranuras
longitudinales donde se colocan las espiras del enrollamiento del
inducido. Devanado inducido: Formado por espiras que se distribuyen
uniformemente por las ranuras del ncleo. Se conecta al circuito
exterior de la mquina por medio del colector y las escobillas.
Colector: Cilindro solidario al eje de la mquina formado por
segmentos de cobre o lminas aisladas elctricamente entre ellas. En
cada lmina se conecta una bobina. Es el encargado de realizar la
conversin de corriente alterna a corriente continua. Escobillas:
Son piezas de carbn-grafito o metlicas, que estn en contacto con el
colector. Hacen la conmutacin de la corriente inducida y la
transportan en forma de corriente continua hacia el exterior.
Cojinetes: Sirven de soporte y permiten el giro del eje de la
mquina.
Entrehierro: es el espacio de aire comprendido entre el rotor y
el esttor. Suele ser normalmente de entre 1 y 3 milmetros. El
entehierro es imprescindible para evitar rozamientos entre la parte
fija y la parte mvil.La conmutacin en las dinamos es la operacin de
transformacin de una seal alterna a una seal continua y tambin se
conoce como rectificacin de seal. Las dinamos hacen esta conmutacin
porque tienen que suministrar corriente continua.Esta conmutacin en
las dinamos se realiza a travs del colector de delgas. Los anillos
del colector estn cortados debido a que por fuera de la espira la
corriente siempre tiene que ir en el mismo sentido. A la hora de
realizar esta conmutacin existen diferentes problemas. Cuando el
generador funciona con una carga conectada en sus bornes, nos
encontramos con una cada de tensin interna y una reaccin en el
inducido.El inducido crear un flujo magntico que se opone al
generado por el imn. A este efecto se le da el nombre de fuerza
contra electromotriz, que desplazar el plano neutro.
Principio de funcionamiento de un generador elctrico: Ley de
FaradayEl principio de funcionamiento de los generadores se basa en
el fenmeno de induccin electromagntica.La Ley de Faraday. Esta ley
nos dice que el voltaje inducido en un circuito es directamente
proporcional al cambio del flujo magntico en un conductor o espira.
Esto quiere decir que si tenemos un campo magntico generando un
flujo magntico, necesitamos una espira por donde circule una
corriente para conseguir que se genera la f.e.m. (fuerza
electromotriz).Este descubrimiento, realizado en el ao 1830 por
Michael Faraday, permiti un ao despus la creacin del disco de
Faraday. El disco de Faraday consiste en un imn en forma de U, con
un disco de cobre de doce pulgadas de dimetro y 1/5 de pulgas de
espesor en medio colocado sobre un eje, que est girando, dentro de
un potente electroimn. Al colocar una banda conductora rozando el
exterior del disco y otra banda sobre el eje, comprob con un
galvanmetro que se produca electricidad mediante imanes
permanentes. Fue el comienzo de las modernas dinamos Es decir,
generadores elctricos que funcionan por medio de un campo magntico.
Era muy poco eficiente y no tena ningn uso como fuente de energa
prctica, pero demostr la posibilidad de generar electricidad usando
magnetismo y abri la puerta a los conmutadores, dinamos de
corriente continua y finalmente a los alternadores de
corriente.cuando dentro de un campo magntico tenemos una espira por
donde circula una corriente elctrica aparecen un par de fuerzas que
provocan que la espira gire alrededor de su eje. De esta misma
manera, si dentro de un campo magntico introducimos una espira y la
hacemos girar provocaremos la corrienteinducida. Esta corriente
inducida es la responsable de la f.e.m. y ser variable en funcin de
la posicin de la espira y el campo magntico. La cantidad de
corriente inducida o f.e.m. depender de la cantidad de flujo
magntico (tambin llamado lneas) que la espira pueda cortar, cuanto
mayor sea el nmero, mayor variacin de flujo generara y por lo tanto
mayorfuerza electromotriz..Al hacer girar la espira dentro del imn
conseguiremos una tensin que variar en funcin del tiempo. Esta
tensin tendr una forma alterna, puesto que de 180 a 360 los polos
estarn invertidos y el valor de la tensinser negativo.El principio
de funcionamiento del alternador y de la dinamo se basa en que el
alternador mantiene la corriente alterna mientras la dinamo
convierte la corriente alterna en corriente continuaRepresentacin
del experimento que realiz Faraday
Seales de salida de un alternador, en corriente alterna, y de
una dinamo en corriente continuo
Un motor elctrico es una mquina elctrica que transforma energa
elctrica en energa mecnica por medio de campos magnticos variables,
los motores elctricos se componen en dos partes una fija llamada
estator y una mvil llamada rotor. Algunos de los motores elctricos
son reversibles, pueden transformar energa mecnica en energa
elctrica funcionando como generadores. Los motores elctricos de
traccin usados en locomotoras realizan a menudo ambas tareas, si se
los equipa con frenos regenerativos.Son ampliamente utilizados en
instalaciones industriales, comerciales y particulares. Pueden
funcionar conectados a una red de suministro elctrico o a bateras.
Fundamentos de operacin de los motores elctricosUn motor para
funcionar se vale de las fuerzas de atraccin y repulsin que existen
entre los polos. De acuerdo con esto, todo motor tiene que estar
formado con polos alternados entre el estator y el rotor, ya que
los polos magnticos iguales se repelen, y polos magnticos
diferentes se atraen, produciendo as el movimiento de rotacin. En
la figura se muestra como se produce el movimiento de rotacin en un
motor elctrico.
Un motor elctrico opera primordialmente en base a dos
principios: El de induccin, descubierto por Michael Faraday en
1831; que seala, que si un conductor se mueve a travs de un campo
magntico o est situado en las proximidades de otro conductor por el
que circula una corriente de intensidad variable, se induce una
corriente elctrica en el primer conductor. Y el principio que Andr
Ampre observo en 1820, en el que establece: que si una corriente
pasa a travs de un conductor situado en el interior de un campo
magntico, ste ejerce una fuerza mecnica o f.e.m. (fuerza
electromotriz), sobre el conductor.El principio fundamental que
describe cmo es que se origina una fuerza por la interaccin de una
carga elctrica puntual q en campos elctricos y magnticos es la Ley
de Lorentz[.]
donde: q: carga elctrica puntual : Campo elctrico : velocidad de
la partcula : densidad de campo magnticoEn el caso de un campo
puramente elctrico la expresin de la ecuacin se reduce a:
La fuerza en este caso est determinada solamente por la carga q
y por el campo elctrico . Es la fuerza de Coulomb que acta a lo
largo del conductor originando el flujo elctrico, por ejemplo en
las bobinas del esttor de las mquinas de induccin o en el rotor de
los motores de corriente continua.En el caso de un campo puramente
magntico:
La fuerza est determinada por la carga, la densidad del campo
magntico y la velocidad de la carga . Esta fuerza es perpendicular
al campo magntico y a la direccin de la velocidad de la carga.
Normalmente hay muchsimas cargas en movimiento por lo que conviene
reescribir la expresin en trminos de densidad de carga y se obtiene
entonces densidad de fuerza (fuerza por unidad de volumen):
Al producto se le conoce como densidad de corriente (amperes por
metro cuadrado):
Entonces la expresin resultante describe la fuerza producida por
la interaccin de la corriente con un campo magntico:
Este es un principio bsico que explica cmo se originan las
fuerzas en sistemas electromecnicos como los motores elctricos. Sin
embargo, la completa descripcin para cada tipo de motor elctrico
depende de sus componentes y de su construccin.Partes fundamentales
de un motor elctricoDentro de las caractersticas fundamentales de
los motores elctricos, stos se hallan formados por varios
elementos, sin embargo, las partes principales son: el estator, la
carcasa, la base, el rotor, la caja de conexiones, las tapas y los
cojinetes. No obstante, un motor puede funcionar solo con el
estator y el rotor.
EstatorEl estator es el elemento que opera como base,
permitiendo que desde ese punto se lleve a cabo la rotacin del
motor. El estator no se mueve mecnicamente, pero si magnticamente.
Existen dos tipos de estatoresa) Estator de polos salientes.b)
Estator ranurado.
El estator est constituido principalmente de un conjunto de
lminas de acero al silicio (y se les llama "paquete"), que tienen
la habilidad de permitir que pase a travs de ellas el flujo
magntico con facilidad; la parte metlica del estator y los
devanados proveen los polos magnticos.Los polos de un motor siempre
son pares (pueden ser 2, 4, 6, 8, 10, etc.,), por ello el mnimo de
polos que puede tener un motor para funcionar es dos (un norte y un
sur).RotorEl rotor es el elemento de transferencia mecnica, ya que
de l depende la conversin de energa elctrica a mecnica. Los
rotores, son un conjunto de lminas de acero al silicio que forman
un paquete, y pueden ser bsicamente de tres tipos:a) Rotor
ranuradob) Rotor de polos salientesc) Rotor jaula de ardilla
Motores de corriente directaUn motor funciona con carga cuando
est arrastrando cualquier objeto o soportando cualquier resistencia
externa (la carga) que lo obliga a absorber energa mecnica. Por
ejemplo: una batidora encuentra resistencia cuando bate mayonesa Un
motor funciona en vaco, cuando el motor no est arrastrando ningn
objeto, ni soportando ninguna resistencia externa, el eje est
girando libremente y no est conectado a nada.Los motores de
corriente continua se clasifican segn la forma de conexin de las
bobinas inductoras e inducidas entre s.Motor de excitacin
independiente: Son aquellos que obtienen la alimentacin del rotor y
del estator de dos fuentes de tensin independientes. Con ello, el
campo del estator es constante al no depender de la carga del
motor, y el par de fuerza es entonces prcticamente constante. Este
sistema de excitacin no se suele utilizar debido al inconveniente
que presenta el tener que utilizar una fuente exterior de
corriente.
Motor serie: Los devanados de inducido y el inductor estn
colocados en serie y alimentados por una misma fuente de tensin. En
este tipo de motores existe dependencia entre el par y la
velocidad; son motores en los que, al aumentar la corriente de
excitacin, se hace disminuir la velocidad, con un aumento del
par.
Motor de derivacin: El devanado inducido e inductor estn
conectados en paralelo y alimentados por una fuente comn. Tambin se
denominan mquinas shunt, y en ellas un aumento de la tensin en el
inducido hace aumentar la velocidad de la mquina.
Motor compuesto: en este caso el devanado de excitacin tiene una
parte de l en serie con el inducido y otra parte en paralelo. El
arrollamiento en serie con el inducido est constituido por pocas
espiras de gran seccin, mientras que el otro est formado por un
gran nmero de espiras de pequea seccin. Permite obtener por tanto
un motor con las ventajas del motor serie, pero sin sus
inconvenientes. Sus curvas caractersticas sern intermedias entre
las que se obtienen con excitacin serie y con excitacin en
derivacin
LAS PRINCIPALES APLICACIONES DEL MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA
SON: Trenes de laminacin reversibles. Los motores deben de soportar
una alta carga. Normalmente se utilizan varios motores que se
acoplan en grupos de dos o tres. Trenes Konti. Son trenes de
laminacin en caliente con varios bastidores. En cada uno se va
reduciendo ms la seccin y la velocidad es cada vez mayor. Cizallas
en trenes de laminacin en caliente. Se utilizan motores en
derivacin. Los motores desmontables para papeleras, trefiladoras,
control de tensin en mquinas bobinadoras, velocidad constante de
corte en tornos grandes El motor de corriente continua se usa en
gras que requieran precisin de movimiento con carga variable (cosa
casi imposible de conseguir con motores de corriente alterna).Los
Motores de Corriente Alterna [C.A.]: Son los tipos de motores ms
usados en la industria, ya que estos equipos se alimentan con los
sistemas de distribucin de energas "normales". En la actualidad, el
motor de corriente alterna es el que ms se utiliza para la mayor
parte de las aplicaciones, debido fundamentalmente a que consiguen
un buen rendimiento, bajo mantenimiento y sencillez, en su
construccin, sobre todo en los motores asncronos.Caractersticas
particulares de los motores elctricos de corriente alternaPotencia:
Es la rapidez con la que se realiza un trabajo.se usan el kilowatt
(kW) y el caballo de fuerza (HP) que se definen como:1 kW = 1000 W1
HP = 747 W = 0.746 kW1kW = 1.34 HPVoltaje: Tambin llamada tensin
elctrica o diferencia de potencial, existe entre dos puntos, y es
el trabajo necesario para desplazar una carga positiva de un punto
a otro:E = [VA-VB]Dnde:E = Voltaje o TensinVA = Potencial del punto
AVB = Potencial del punto BLa diferencia de tensin es importante en
la operacin de un motor.Corriente: representa un flujo de carga con
la rapidez de un coulomb por segundo, al pasar por cualquier
punto.
Dnde:I = Corriente elctricaQ = Flujo de carga que pasa por el
punto Pt = Tiempo
Clasificacin de los motores de corriente alternaPor su velocidad
de giro: 1. Asncrono: Son aquellos motores elctricos en los que el
rotor nunca llega a girar en la misma frecuencia con la que lo hace
el campo magntico del estator. Cuanto mayor es el par motor mayor
es esta diferencia de frecuencias. 2. Motores Sncronos: Son
aquellos motores elctricos en los que el rotor nunca llega a girar
en la misma frecuencia con la que lo hace el campo magntico del
estator. Cuanto mayor es el par motor mayor es esta diferencia de
frecuencias. Este motor tiene la caracterstica de que su velocidad
de giro es directamente proporcional a la frecuencia de la red de
corriente alterna que lo alimenta. Es utilizado en aquellos casos
en donde se desea una velocidad constante.Se utilizan para
convertir potencia elctrica en potencia mecnica de rotacin. La
caracterstica principal de este tipo de motores es que trabajan a
velocidad constante que depende solo de la frecuencia de la red y
de otros aspectos constructivos de la mquina. Las mquinas sncronas
funcionan tanto como generadores y como motores. En nuestro medio
sus aplicaciones son mnimas y casi siempre estn relacionadas en la
generacin de energa elctrica. Para el caso referente a la mquina
rotativa sncrona, todas las centrales Hidroelctricas y
Termoelctricas funcionan mediante generadores sncronos
trifsicos.Para el caso del motor se usa principalmente cuando la
potencia demandada es muy elevada, mayor que 1MW (mega vatio).Por
su nmero de fases de alimentacin:Motores monofsicosFueron los
primeros motores utilizados en la industria. Cuando este tipo de
motores est en operacin, desarrolla un campo magntico rotatorio,
pero antes de que inicie la rotacin, el estator produce un campo
estacionario pulsante.Para producir un campo rotatorio y un par de
arranque, se debe tener un devanado auxiliar desfasado 90 con
respecto al devanado principal. Una vez que el motor ha arrancado,
el devanado auxiliar se desconecta del circuito.Debido a que un
motor de corriente alterna (C.A.) monofsico tiene dificultades para
arrancar, est constituido de dos grupos de devanados: El primer
grupo se conoce como el devanado principal o de trabajo, y el
segundo, se le conoce como devanado auxiliar o de arranque. Los
devanados difieren entre s, fsica y elctricamente. El devanado de
trabajo est formado de conductor grueso y tiene ms espiras que el
devanado de arranque.Es importante sealar, que el sentido de giro
de las bobinas involucra la polaridad magntica correspondiente,
como puede verse en la figura
Tipos y caractersticasLos motores monofsicos han sido
perfeccionados a travs de los aos, a partir del tipo original de
repulsin, en varios tipos mejorados, y en la actualidad se
conocen:Motores de fase partida: En general consta de una carcasa,
un estator formado por laminaciones, en cuyas ranuras aloja las
bobinas de los devanados principal y auxiliar, un rotor formado por
conductores a base de barras de cobre o aluminio embebidas en el
rotor y conectados por medio de anillos de cobre en ambos extremos,
denominado lo que se conoce como una jaula de ardilla. Se les llama
as, porque se asemeja a una jaula de ardilla. Fueron de los
primeros motores monofsicos usados en la industria, y an permanece
su aplicacin en forma popular. Estos motores se usan en: mquinas
herramientas, ventiladores, bombas, lavadoras, secadoras y una gran
variedad de aplicaciones; la mayora de ellos se fabrican en el
rango de 1/30 (24.9 W) a 1/2 HP (373 W).Motores de arranque con
capacitor: Este tipo de motor es similar en su construccin al de
fase partida, excepto que se conecta un capacitor en serie con el
devanado de arranque para tener un mayor par de arranque. Su rango
de operacin va desde fracciones de HP hasta 15 HP. Es utilizado
ampliamente en muchas aplicaciones de tipo monofsico, tales como
accionamiento de mquinas herramientas (taladros, pulidoras,
etctera), compresores de aire, refrigeradores, etc. En la figura se
muestra un motor de arranque con capacitor.
Motores con permanente: Utilizan un capacitor conectado en serie
con los devanados de arranque y de trabajo. El crea un retraso en
el devanado de arranque, el cual es necesario para arrancar el
motor y para accionar la carga.
Motores de induccin-repulsin: Los motores de induccin-repulsin
se aplican donde se requiere arrancar cargas pesadas sin demandar
demasiada corriente. Se fabrican de 1/2 HP hasta 20 HP, y se
aplican con cargas tpicas como: compresores de aire grandes, equipo
de refrigeracin,etc.Motores de polos sombreados: Este tipo de
motores es usado en casos especficos, que tienen requerimientos de
potencia muy bajos.Su rango de potencia est comprendido en valores
desde 0.0007 HP hasta 1/4HP, y la mayora se fabrica en el rango de
1/100 a 1/20 de HP. La principal ventaja de estos motores es su
simplicidad de construccin, su confiabilidad y su robustez, adems,
tienen un bajo costo. A diferencia de otros motores monofsicos de
C.A., los motores de fase partida no requieren de partes auxiliares
(capacitores, escobillas, conmutadores, etc.) o partes mviles
(switches centrfugos). Esto hace que su mantenimiento sea mnimo y
relativamente sencillo.
Motores trifsicosLos motores trifsicos usualmente son ms
utilizados en la industria, ya que en el sistema trifsico se genera
un campo magntico rotatorio en tres fases, adems de que el sentido
de la rotacin del campo en un motor trifsico puede cambiarse
invirtiendo dos puntas cualesquiera del estator, lo cual desplaza
las fases, de manera que el campo magntico gira en direccin
opuesta.Tipos y caractersticasLos motores trifsicos se usan para
accionar mquinas-herramientas, bombas, elevadores, ventiladores,
sopladores y muchas otras mquinas.Bsicamente estn construidos de
tres partes esenciales: Estator, rotor y tapas.El estator consiste
de un marco o carcasa y un ncleo laminado de acero al silicio, as
como un devanado formado por bobinas individuales colocadas en sus
ranuras. Bsicamente son de dos tipos: De jaula de ardilla. De rotor
devanadoUsosLos motores elctricos se utilizan en la gran mayora de
las mquinas modernas. Su reducido tamao permite introducir motores
potentes en mquinas de pequeo tamao, por ejemplo taladros o
batidoras. Su elevado par motor y alta eficiencia lo convierten en
el motor ideal para la traccin de transportes pesados como trenes;
as como la propulsin de barcos, submarinos y dmperes de minera, a
travs del sistema Disel-elctrico.TransformadorEl transformador es
un dispositivo que convierte la energa elctrica alterna de un
cierto nivel de tensin, en energa alterna de otro nivel de tensin,
basndose en el fenmeno de la induccin electromagntica. Est
constituido por dos bobinas de material conductor, devanadas sobre
un ncleo cerrado de material ferromagntico, pero aisladas entre s
elctricamente. La nica conexin entre las bobinas la constituye el
flujo magntico comn que se establece en el ncleo. El ncleo,
generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de lminas apiladas
de acero elctrico, aleacin apropiada para optimizar el flujo
magntico. Las bobinas o devanados se denominan primario y
secundario segn correspondan a la entrada o salida del sistema en
cuestin, respectivamente. Componentes de los transformadores
elctricosLos transformadores estn compuestos de diferentes
elementos. Los componentes bsicos son:
Ncleo: Este elemento est constituido por chapas de acero al
silicio aisladas entre ellas. El ncleo de los transformadores est
compuesto por las columnas, que es la parte donde se montan los
devanados, y las culatas, que es la parte donde se realiza la unin
entre las columnas. El ncleo se utiliza para conducir el flujo
magntico, ya que es un gran conductor magntico. Devanados: El
devanado es un hilo de cobre enrollado a travs del ncleo en uno de
sus extremos y recubiertos por una capa aislante, que suele ser
barniz. Est compuesto por dos bobinas, la primaria y la secundaria.
La relacin de vueltas del hilo de cobre entre el primario y el
secundario nos indicar la relacin de transformacin. El nombre de
primario y secundario es totalmente simblico. Esquema bsico y
funcionamiento del transformadorEsquema bsico de funcionamiento de
un transformador idealLos transformadores se basan en la induccin
electromagntica . Al aplicar una fuerza electromotriz en el
devanado primario, es decir una tensin, se origina un flujo
magntico en el ncleo de hierro. Este flujo viajar desde el devanado
primario hasta el secundario. Con su movimiento originar una fuerza
electromagntica en el devanado secundario.Segn la Ley de Lenz,
necesitamos que la corriente sea alterna para que se produzca esta
variacin de flujo. En el caso de corriente continua el
transformador no se puede utilizar.La relacin de transformacin del
transformador elctricoUna vez entendido el funcionamiento del
transformador vamos a observar cul es la relacin de transformacin
de este elemento.
Donde N p es el nmero de vueltas del devanado del primario, N s
el nmero de vueltas del secundario, V p la tensin aplicada en el
primario, V s la obtenida en el secundario, I s la intensidadque
llega al primario, I p la generada por el secundario y r t la
relacin de transformacin.Como observamos en este ejemplo si
queremos ampliar la tensin en el secundario tenemos que poner ms
vueltas en el secundario (N s), pasa lo contrario si queremos
reducir la tensin del secundario.Transformadores trifsicosDebido a
que el transporte y generacin de electricidad se realiza de forma
trifsica, se han construido transformadores de estas
caractersticas.Hay dos maneras de construirlos: una es mediante
tres transformadores monofsicos y la otra con tres bobinas sobre un
ncleo comn.Esta ltima opcin es mejor debido a que es ms pequeo, ms
ligero, ms econmico y ligeramente ms eficiente.La conexin de este
transformador puede ser: Estrella-estrella Estrella-tringulo
Tringulo-estrella Tringulo-tringulo
Posibles conexiones de un transformador trifsico con la fuente
de alimentacinPartes de un transformadorEl ncleoEl ncleo est
formado por varias chapas u hojas de metal (generalmente material
ferromagntico) que estn apiladas una junto a la otra, sin soldar,
similar a las hojas de un libro. La funcin del ncleo es mantener el
flujo magntico confinado dentro de l y evitar que este fluya por el
aire favoreciendo las perdidas en el ncleo y reduciendo la
eficiencia. La configuracin por laminas del ncleo laminado se
realiza para evitar las corrientes de Foucault, que son corrientes
que circulan entre laminas, indeseadas pues favorecen las
perdidas.BobinasLas bobinas son simplemente alambre generalmente de
cobre enrollado en las piernas del ncleo. Segn el nmero de espiras
(vueltas) alrededor de una pierna inducir un voltaje mayor. Se
juega entonces con el nmero de vueltas en el primario versus las
del secundario. En un transformador trifsico el nmero de vueltas
del primario y secundario debera ser igual para todas las
fases.Cambiador de tapsEl cambiador de taps o derivaciones es un
dispositivo generalmente mecnico que puede ser girado manualmente
para cambiar la razn de transformacin en un transformador,
tpicamente, son 5 pasos uno de ellos es neutral, los otros alteran
la razn en ms o menos el 5%. Por ejemplo esto ayuda a subir el
voltaje en el secundario para mejorar un voltaje muy bajo en alguna
barra del sistema.Rel de sobrepresinEs un dispositivo mecnico que
nivela el aumento de presin del transformador que pueden hacerlo
explotar. Sin embargo existen varios equipos que explotan a pesar
de tener este dispositivo. Existen el rel de presin sbita para
presiones transitorias y el rel de sobrepresin para presiones ms
permanentes.Tablero de controlContiene las conexiones elctricas
para el control, rels de proteccin elctrica, seales de control de
vlvulas de sobrepresin hacia dispositivos de proteccin
Transformador ideal y transformador realEn un transformador
ideal, la potencia que tenemos en la entrada es igual a la potencia
que tenemos en la salida, esto quiere decir que:
Pero en la realidad, en los transformadores reales existen
pequeas prdidas que se manifiestan en forma de calor. Estas prdidas
las causan los materiales que componen un transformador elctrico.En
los conductores de los devanados existe una resistencia al paso del
corriente que tiene relacin con la resistividad del material del
cual estn compuestos. Adems, existen efectos por dispersin de flujo
magntico en los devanados. Finalmente, hay que considerar los
posibles efectos por histresis o las corrientes de Foucault en el
ncleo del transformador.Prdidas en los transformadores realesLas
diferentes prdidas que tiene un transformador real son: Prdidas en
el cobre: Debidas a la resistencia propia del cobre al paso de la
corriente Prdidas por corrientes parsitas: Son producidas por la
resistencia que presenta el ncleo ferro magntico al ser atravesado
por el flujo magntico. Prdidas por histresis: Son provocadas por la
diferencia en el recorrido de las lneas de campo magntico cuando
circulan en diferente sentido cada medio ciclo. Prdidas a causa de
los flujos de dispersin en el primario y en el secundario: Estos
flujos provocan una auto inductancia en las bobinas primarias y
secundarias.Aplicaciones de los transformadoresLos transformadores
son elementos muy utilizados en la red elctrica.Los transformadores
tambin son usados por la mayora de electrodomsticos y aparatos
electrnicos, ya que estos trabajan, normalmente, a tensiones de un
valor inferior al suministrado por la red Por ltimo hacer mencin a
que uno de los elementos de seguridad elctrica del hogar utiliza
transformadores. Se trata del diferencial . Este dispositivo
utiliza transformadores para comparar la intensidad que entra con
la que sale del hogar. Si la diferencia entre estos es mayor a 10
mA desconecta el circuito evitando que podamos sufrir lesiones.