Máquinas eléctricas: Máquinas eléctricas rotativas

Máquinas eléctricas: Máquinas eléctricas
rotativas. Conceptos básicos
¿Os imagináis cómo sería nuestra vida sin motores eléctricos? no solamente a nivel
industrial (cintas transportadoras, taladradoras, etc), sino también en el ámbito doméstico:
¿cómo arrancaríamos el coche sin el motor de arranque? ¿y la lavadora? ¿y la batidora?
Pero qué me decís de los generadores: ¿cómo obtendríamos la energía eléctrica?
Como puedes apreciar, este tema, en el que se estudian este tipo de máquinas es
fundamental no sólo dentro de la electrotecnia, sino para conocer cómo funcionan la
mayoría de máquinas que usamos diariamente.
Imagen 1. Motores eléctricos.
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
1. Introducción
Mirando a nuestro alrededor es difícil imaginar un mundo sin máquinas eléctricas, sin
motores, transformadores, etc, por lo que su estudio se hace fundamental en esta materia.
Emilio, que suele ser curioso, se pregunta qué es una máquina eléctrica, si todas son iguales
y si funcionan con el mismo tipo de energía eléctrica. Pues bien, todos los dispositivos que o
bien producen, o bien consumen energía eléctrica, ya sea continua o alterna, se denominan
máquinas eléctricas. Un tipo particular, son las máquinas eléctricas rotativas que están
constituidas por la combinación de circuitos eléctricos y magnéticos. Tienen partes fijas y
partes móviles.
Si le preguntamos a Emilio a qué máquinas nos referimos, ¿qué creéis que contestará?, pues
lo que casi todo el mundo, los motores eléctricos. Es una buena respuesta, pero no
olvidemos que los generadores también son máquinas eléctricas rotativas.
Fíjate que los motores consumen energía eléctrica y la transforman en mecánica. Sin
embargo, los generadores transforman la energía mecánica en eléctrica. Son por tanto
máquinas reversibles.
Pero, ¿cómo funcionan? ¿En qué principios se basan estas máquinas? La respuesta es mucho
mas sencilla de lo que parece: estos dispositivos funcionan gracias a la inducción
electromagnética. En los fenómenos de inducción electromagnética se producen fuerzas que,
en último extremo son las responsables de los movimientos producidos en este tipo de
máquinas.
2. Clasificación de las máquinas rotativas
De forma general y en función del tipo de energía eléctrica que utilicen, las máquinas
eléctricas rotativas se pueden clasificar:
Imagen 2. Clasificación de máquinas eléctricas rotativas.
Elaboración propia
Lee las siguientes preguntas con atención y contesta si son verdaderas o falsas:
1. Las máquinas eléctricas rotativas se clasifican según la energía que consumen en
máquinas de corriente continua y máquinas de corriente alterna.
Verdadero
Falso
2. Las máquinas eléctricas son todas reversibles.
Verdadero
Falso
3. Las máquinas eléctricas rotativas pueden tener diferentes tipos de excitación.
Verdadero
Falso
3. Constitución general de una máquina eléctrica
rotativa
Las máquinas eléctricas rotativas tienen partes que giran, combinadas con partes estáticas.
Podemos distinguir las siguientes partes principales:
Estátor: es la parte inmóvil, fija.
Rotor: parte que gira, normalmente dentro del estátor.
Entrehierro: es el espacio libre que queda entre el estátor y el rótor y que permite el
giro de éste último. Debe ser muy reducido, lo máximo posible, para evitar que se pierda
flujo magnético.
Colectores y escobillas: las escobillas realizan la conexión de los circuitos del rótor con
los del estátor. Son de grafito. Las escobillas frotan sobre unas láminas conductoras
(delgas) que están acopladas a un dispositivo cilíndrico denominado colector.
Imagen 3. Máquina eléctrica.
Elaboración propia
Estas máquinas están constituidas por dos circuitos eléctricos y uno magnético. Los circuitos
eléctricos se encuentran en el rótor y en el estátor respectivamente. A estos circuitos se les
denomina devanados. Uno de ellos, produce la fuerza electromotriz que crea el flujo en el
circuito magnétco de la máquina, por ésto se le denomina devanado inductor. En el otro
circuito eléctrico se induce una fuerza electromotriz que produce un par motor (en el caso de
que esté funcionando como motor) o una fuerza contraelectromotriz (si está funcionando como
generador). A este devanado se le denomina inducido.
4. Principio general de funcionamiento
Las máquinas eléctricas se basan en las ley de Biot y Savart: Indica el campo magnético
creado por corrientes eléctricas estacionarias y se puede enunciar como: "si un conductor está
inmerso en el seno de un campo magnético y por él circula una corriente eléctrica, se verá
sometido a unas fuerzas de carácter electromagnético que tenderán a desplazarlo".
Esto quiere decir que para conseguir que un conductor se desplace sólo hay que introducirlo en
un campo magnético y hacer que por él circule una corriente. La fuerza a la que se verá
sometido será:
Donde:
F es la fuerza que aparece en los conductores en Newtons.
B es la intensidad del campo magnético en Teslas.
L es la longitud de los conductores en metros.
I es la intensidad de corriente que circula por los conductores en Amperios.
Video 1. Funcionamiento de una máquina eléctrica rotativa.
Fuente: Youtube
El campo magnético necesario será creado por bobinas que se situarán en el estátor de la
máquina (funcionando como motor). Los conductores sobre los que aparecerá la fuerza, se
colocarán en el rotor. Dicha fuerza aparecerá cuando los conductores sean recorridos por una
corriente eléctrica. Como los conductores se encuentran alojados en ranuras en el rotor y, por
tanto están fuertemente unidos a él, las fuerzas ejercidas en los conductores se transmiten al
rotor originando un par motor que hace girar el eje.
Imagen 4. Motor eléctrico.
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
Date cuenta de que para que se sumen todas las fuerzas magnéticas de los distintos
conductores es preciso que todas hagan girar el rotor en el mismo sentido. Esto se
consigue haciendo que las corrientes de los conductores situados debajo de los polos sur
del imán sean opuestas a las situadas debajo de los polos norte.
Imagen 5. Conductores en un motor eléctrico.
Elaboración propia
4.1. Número de polos
Los circuitos magnéticos tienen polos norte y sur, de tal manera, que las líneas de fuerza del
campo magnético salen del polo norte y entran por el polo sur. Las máquinas rotativas
necesitan para funcionar, como hemos visto anteriormente, un campo magnético, generados
por bobinas enrolladas en núcleos de hierro. Estos núcleos se denominan polos. Están unidos
por un extremo a la culata, quedando libre el otro extremo, que dará nombre al polo. Los polos
tienen que tener diferente polaridad alternativamente para que las líneas de fuerza se
distribuyan correctamente.
El número total de polos de una máquina eléctrica rotativa debe ser par, para que sean
la mitad norte y la mitad sur. Este número total de polos se denomina 2p. P es el
número de pares de polos que tiene la máquina.
Lee el siguiente texto y rellena los espacios en blanco:
Los núcleos de
Su número será siempre
tiene cuatro polos,
Comprobar
en los que se enrollan las bobinas se denominan
. Según esto, una máquina será
si tiene seis polos.
.
si
5. Potencia y energía de una máquina eléctrica
La potencia que desarrolla una máquina eléctrica es la energía por unidad de tiempo.
Depende de:
Si se trata de un motor, la potencia dependerá de los mecanismos acoplados al eje del
motor y que serán accionados por él.
Si se trata de un generador, dependerá del circuito al que alimenta.
Según esto, es fácil apreciar que las máquinas eléctricas pueden funcionar con diferentes
valores de potencia útil. De todos estos valores, el que caracteriza la máquina se denomina
potencia nominal.
Todas las condiciones que el constructor de la máquina ha diseñado para que funcione (tensión,
potencia, etc.) se encuentran especificadas en la placa de características. En esta placa se
indican todos los valores nominales de la máquina y se encuentra en un lugar visible:
Imagen 6. Placa de características de un motor.
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
Cuando una máquina está trabajando a la potencia nominal, se dice que está a plena
carga. Si trabaja a potencias superiores a este valor, decimos entonces que está
trabajando a sobrecarga. En el caso de que esté trabajando a potencias inferiores a la
nominal, decimos que está a media carga, un cuarto de carga, etc.
El principal problema que podemos tener con una máquina eléctrica rotativa es que se caliente.
Es necesario refrigerar estas máquinas porque pueden quemarse.
5.1. Pérdidas
Todas las máquinas rotativas se calientan. Esto es debido, evidentemente, a que
parte de la energía se transforma en calor. Por lo tanto, existen pérdidas en forma de
calor y la potencia que desarrollará la máquina (que llamaremos potencia útil) será
menor que la potencia que absorba.
Potencia útil < Potencia absorbida
Estas pérdidas se dan en diferentes partes de la máquina, como veremos a continuación:
a. Pérdidas mecánicas:
Son debidas al rozamiento (no olvides que las máquinas rotativas "giran"). Se dan en las
partes móviles: cojinetes, escobillas (debido a su rozamiento con el colector), etc.
b. Pérdidas en el cobre:
Se denominan así a las pérdidas en los conductores de los circuitos eléctricos de la máquina,
ya que éstos son de cobre. Son debidas al efecto Joule, es decir, parte de la energía eléctrica
que circula por los conductores se transforma en calor por los choques de los electrones con
los iones metálicos de dicho conductor.
c. Pérdidas en el hierro:
Se denominan de esta manera a las pérdidas en el circuito magnético, que está formado por
un núcleo de hierro. Pueden ser de dos tipos: pérdidas por histéresis, que son debidas a
la magnetización cíclica del hierro, y pérdidas por corrientes de Foucault, que se
producen por las corrientes inducidas en el hierro.
Podemos resumir todo lo anterior:
Imagen 7. Balance de potencia.
Elaboración propia
5.2. Rendimiento
La relación entre la potencia que desarrolla una máquina eléctrica (potencia útil) y la
potencia que absorbe se denomina rendimiento. Será siempre menor que 1 porque la
potencia útil es menor que la potencia absorbida, debido a las pérdidas que ya hemos visto.
Evidentemente, si damos el rendimiento como un porcentaje, habrá que multiplicar η por
100.
Un motor es capaz de subir un peso de 20000 N a una altura de 60 m, usando para ello
5 minutos. Calcula su rendimiento si está conectado a una red de 230 V y 50 A.
No olvides que la potencia es el trabajo realizado en un tiempo.
¡Ten cuidado con las unidades!
6. Característica par-velocidad de un motor
Denominamos característica par-velocidad de un motor a la representación gráfica de la
velocidad del motor frente al par que desarrolla dicho motor.
Pero, ¿qué es el par de un motor? Trataremos de explicarlo lo más fácilmente posible:
En los conductores del inducido de una máquina de este tipo, aparecen fuerzas que hacen
girar el rotor de la máquina. Como todas las fuerzas asociadas a giros, cada una de ellas
tendrá asociado su correspondiente momento. Pues bien, la suma de todos estos momentos
individuales (sin olvidar que las fuerzas tienen que ejercer su acción en el mismo sentido)
dará el momento de rotación de la máquina.
Si la máquina es un generador este momento se denomina Par Resistente porque se
opone al movimiento que lo produce.
Pero si se trata de un motor, se denomina Par Motor porque es el que produce el giro de
dicho motor.
En un motor, la velocidad de funcionamiento se fija en el punto en el que el par que
el motor puede producir es igual al que necesita la carga para funcionar.
Por este motivo son muy útiles las características par-velocidad tanto del motor como
de la carga, ya que se usan para definir si un motor es útil para una determinada
utilización.
Algunos ejemplos de características par-velocidad tanto de una carga como de un motor son:
Imagen 8. Característica par-velocidad de un motor.
Imagen 9. Característica par-velocidad de una carga.
Elaboración propia
Elaboración propia
Imagen 10.Característica par-velocidad de un motor con una carga.
Elaboración propia
Si observas la gráfica del par-velocidad del motor y la carga, verás que hay un punto
(señalado con una flecha) en el que el par motor y el par necesario para la carga coinciden,
a ese par se le denomina par motor nominal y la velocidad a la que corresponde ese punto
será la velocidad nominal de la máquina.
6.1. Clases de servicio de los motores
Ya hemos dicho que el principal inconveniente de una máquina rotativa es el calentamiento,
entonces antes de elegir una máquina cuando funciona como motor, debemos considerar el
calentamiento que va a sufrir para determinar sus características nominales. Por ejemplo, no
elegiremos el mismo motor para trabajar de forma intermitente que de forma continua.
La forma en la que un motor está preparado para funcionar se denomina servicio. Las
clases de servicio están normalizadas y se representan según la letra S y un número (S1, S2
,etc).
A continuación mostramos algunos ejemplos de motores que funcionan con diferentes
clases de servicio:
S1: Son motores que funcionan de forma continua y siempre con carga. Por
ejemplo, un motor de una cinta transportadora.
S2: Motores que funcionan intermitentemente con tiempo suficiente como para
enfriarse. Ejemplo, un motor de una puerta de un garaje.
S3: Funcionan de manera intermitente pero no tienen tiempo suficiente para
alcanzar la temperatura ambiente.
7. Clasificación según la protección de los
motores
Podemos clasificar las máquinas rotativas en función de la protección que tengan sus
componentes. A su vez, esta protección va a depender de las condiciones de trabajo de
la máquina. La protección está definida por tres dígitos, según la norma UNE, que se
denomina IP (índice de protección). El primer dígito, indica la protección contra
cuerpos extraños y contactos, el segundo, la protección frente al agua y el tercer dígito,
la protección frente a golpes.
Según ésto, podemos tener:
Imagen 11. Clasificación de las máquinas según su protección.
Elaboración propia