Máquinas eléctricas

Introducción

Al realizar este trabajo y al investigarlo me e dado de cuenta que un motor eléctrico es una máquina que para producir el movimiento deseado resulta capaz de transformar la energía eléctrica propiamente dicha en energía mecánica, todo logrado a través de diferentes interacciones electromagnéticas mientras que un transformador es un dispositivo que se encarga de "transformar" el voltaje de corriente alterna que tiene a su entrada en otro diferente amplitud, que entrega a su salida ya que el generador eléctrico es aquel aparato que produce energía eléctrica a partir de otro tipo de energía; puede ser de tipo mecánico (alternador y dinamo) o químico (pila): la dinamo que llevan algunas bicicletas es un generador de electricidad.  También generador de corriente o generador de electricidad.

Desarrollo

Motores Eléctricos

1.1.- Concepto:

Un motor eléctrico es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de campos magnéticos variables electromagnéticas. Algunos de los motores eléctricos son reversibles, pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores. Los motores eléctricos de tracción 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 eléctrico o a baterías. Así, en automóviles se están empezando a utilizar en vehículos híbridos para aprovechar las ventajas de ambos

1.2.- Principios de funcionamiento

Los motores de corriente alterna y los de corriente continua se basan en el mismo principio de funcionamiento, el cual establece que si un conductor por el que circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de la acción de un campo magnético, éste tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnético.

El conductor tiende a funcionar como un electroimán debido a la corriente eléctrica que circula por el mismo adquiriendo de esta manera propiedades magnéticas, que provocan, debido a la interacción con los polos ubicados en el estátor, el movimiento circular que se observa en el rotor del motor. Aprovechando el estator y rotor ambos de acero laminado al silicio se produce un campo magnético uniforme en el motor.

Partiendo del hecho de que cuando pasa corriente por un conductor produce un campo magnético, además si lo ponemos dentro de la acción de un campo magnético potente, el producto de la interacción de ambos campos magnéticos hace que el conductor tienda a desplazarse produciendo así la energía mecánica. Dicha energía es comunicada al exterior mediante un dispositivo llamado flecha.

1.3.- Partes

*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 motor, 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 del motor, puede ser de dos tipos:

a) Base frontal

 b) Base lateral

*Rotor: El rotor es el elemento de transferencia mecánica, ya que de él depende la conversión de energía eléctrica a mecánica. 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

* Caja de conexiones: Por lo general, en la mayoría de los casos los motores eléctricos 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 del motor. 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 el 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

1.4.- Tipos

• Motores de corriente continua (CC/DC)- Motores que utilizan corriente continua proveniente de un fuente de alimentación como por ejemplo pilas o baterías. Siempre la misma polaridad y las cargas eléctricas circulan en la miasma dirección.

• Motores de corriente alterna monofásicos (CA/AC) – Motores que utilizan corriente alterna con una fase más un neutro. Son motores que podemos encontrar en los electrodomésticos y que funcionan con la corriente de red habitual en la que la magnitud y la dirección varían cíclicamente en forma de onda senoidal.

• Motores de corriente alterna trifásicos – Este es el tipo de motores más utilizado en ámbitos industriales. Utilizan tres fases de corriente alterna y es la que provee un uso más eficiente de los conductores. Las tres ondas están desfasadas entre si 120º y el retorno de los circuitos se acopla en un punto, neutro (en sistemas equilibrados el neutro se puede omitir).

• Motores trifásicos síncronos - En los motores síncronos la velocidad de giro es constante y viene determinada por la frecuencia de la tensión de la red eléctrica a la que esté conectado y por el número de pares de polos del motor, siendo conocida esa velocidad como "velocidad de sincronismo".

• Motores trifásicos asíncronos – Los motores asíncronos o de inducción, son aquellos en que el campo magnético inducido por el estator gira a una velocidad denominada de "sincronismo", como hemos visto anteriormente, mientras que la velocidad del rotor es algo inferior. El hecho de que el rotor gire más despacio que el campo magnético originado por el estator, se debe a que si el rotor girase a la velocidad de sincronismo, esto es, a la misma velocidad que el campo magnético giratorio, el campo magnético dejaría de ser variable con respecto al rotor, con lo que no aparecería ninguna corriente inducida en el rotor, y por consiguiente no aparecería un par de fuerzas que lo impulsaran a moverse.

Como he comentado con anterioridad, los motores más utilizados en la industria son los asíncronos. En ellos la velocidad es siempre inferior a la de sincronismo. Por norma general podemos encontrar las siguientes velocidades estándar para motores asíncronos trifásicos (que dependen del número de polos):

• 2 polos a 50Hz – Velocidad de sincronismo 3000 rpm – Velocidad del rotor 2900 rpm aprox.

• 4 polos a 50Hz – Velocidad de sincronismo 1500 rpm – Velocidad del rotor 1450 rpm aprox.

• 6 polos a 50Hz – Velocidad de sincronismo 1000 rpm – Velocidad del rotor 950 rpm aprox.

• 8 polos a 50Hz – Velocidad de sincronismo 750 rpm – Velocidad del rotor 700 rpm aprox.

La velocidad de rotor no es la misma en todos los motores, puede variar en mayor o menor medida. Como regla general, cuanta más potencia tiene el motor, más se acerca la velocidad del rotor a la velocidad de sincronismo.

Por último, y para acabar esta primer parte de motores industriales, vamos a diferenciar entre los dos tipos más comunes de motores trifásicos asíncronos. Los dos tipos son motores asíncronos bobinados y motores de jaula de ardilla.

• Motores asíncronos bobinados: Su característica principal es que el rotor se aloja un conjunto de bobinas que además se pueden conectar al exterior a través de anillos rozantes.

• Motores asíncronos de jaula de ardilla: La principal diferencia con los motores asíncronos bobinados recae en que el rotor esta formado por un grupo de barras de aluminio o de cobre en formas similar al de una jaula de ardilla.

1.4.1.- Motores de corriente continúa

El motor de corriente continua es una máquina que convierte la energía eléctrica continua en mecánica, provocando un movimiento rotatorio. En la actualidad existen nuevas aplicaciones con motores eléctricos que no producen movimiento rotatorio, sino que con algunas modificaciones, ejercen tracción sobre un riel. Estos motores se conocen como motores lineales.

Esta máquina de [corriente continua) es una de las más versátiles en la industria. Su fácil control de posición, paro y velocidad la han convertido en una de las mejores opciones en aplicaciones de control y automatización de procesos. Pero con la llegada de la electrónica su uso ha disminuido en gran medida, pues los motores de corriente alterna, del tipo asíncrono, pueden ser controlados de igual forma a precios más accesibles para el consumidor medio de la industria. A pesar de esto los motores de corriente continua se siguen utilizando en muchas aplicaciones de potencia (trenes y tranvías) o de precisión (máquinas, micro motor, etc.)

La principal característica del motor de corriente continua es la posibilidad de regular la velocidad desde vacío a plena carga.

Su principal inconveniente, el mantenimiento, muy caro y laborioso.

Una máquina de corriente continua (generador o motor) se compone principalmente de dos partes, un estator que da soporte mecánico al aparato y tiene un hueco en el centro generalmente de forma cilíndrica. En el estator además se encuentran los polos, que pueden ser de imanes permanentes o devanados con hilo de cobre sobre núcleo de hierro. El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, al que llega la corriente mediante dos escobillas.

También se construyen motores de CC con el rotor de imanes permanentes para aplicaciones especiales.

1.4.2.- Motores de corriente alterna

Se denomina motor de corriente alterna a aquellos motores eléctricos que funcionan con corriente alterna. Un motor es una máquina motriz, esto es, un aparato que convierte una forma determinada de energía en energía mecánica de rotación o par. Un motor eléctrico convierte la energía eléctrica en fuerzas de giro por medio de la acción mutua de los campos magnéticos.

Un generador eléctrico, por otra parte, transforma energía mecánica de rotación en energía eléctrica y se le puede llamar una máquina generatriz de fem. Las dos formas básicas son el generador de corriente continua y el generador de corriente alterna, este último más correctamente llamado alternador.

Todos los generadores necesitan una máquina motriz (motor) de algún tipo para producir la fuerza de rotación, por medio de la cual un conductor puede cortar las líneas de fuerza magnéticas y producir una fem. La máquina más simple de los motores y generadores es el alternador.

Transformador Eléctrico

2.1.- Concepto:

Se denomina transformador o trafo (abreviatura), a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño, etc.

El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, por medio de interacción electromagnética. Está constituido por dos o más bobinas de material conductor, aisladas entre sí eléctricamente y por lo general enrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferro magnético. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo.

Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado, fabricado bien sea de hierro dulce o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primarios y secundarios según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.

2.2.- Principios de funcionamiento

Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, circulará por éste una corriente alterna que creará a su vez un campo magnético variable. Este campo magnético variable originará, por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos del devanado secundario

2.3.- Partes

Los circuitos electrónicos suelen utilizar tensión continua, con valores comprendidos entre 3 y 25 V, para lo cual basta conectar a los mismos baterías o pilas que proporcionen dicho tipo de tensión.

La mayoría de los aparatos electrónicos disponen a menudo de la posibilidad de ser enchufados a las tomas de corriente alterna cuyo valor eficaz es de 230 V. Esto significa que se necesita un dispositivo que reduzca este último valor a una magnitud de tensión inferior, semejante a la que nos proporcionaría una pila o batería.

El dispositivo encargado de esta conversión en los valores de la tensión es el transformador. Su funcionamiento se basa en las propiedades que presentan las bobinas.

El transformador de tensión eléctrica consta de un núcleo ferromagnético, constituido por chapas de hierro que forman un bloque compacto, en el que se enrollan dos bobinas o devanados independientes.

• Una de las bobinas es el devanado primario del transformador, que se conecta a la tensión alterna de la red eléctrica. Al pasar la corriente por el devanado formado por multitud de espiras de cable, se genera un campo magnético alrededor del núcleo de hierro.

• El devanado secundario del transformador se enrolla también en el mismo núcleo de hierro y capta el campo magnético. Dicho campo magnético es variable, pues ha sido creado por una corriente alterna, y dará lugar a la generación de corrientes inducidas en las espiras que forman el devanado secundario.

Si se aplica una tensión eléctrica V1 al primario, que dispone de un número de vueltas o espiras N1 y se induce una tensión V2en el secundario, cuyo número de espiras es de N2, se cumple la siguiente relación:

La expresión N2/N1 es conocida como relación de transformación.

• Si el primario dispone de un número de vueltas mayor que el secundario, la relación de transformación toma un valor menor que 1, lo que da lugar a un transformador reductor, es decir, se inducirá en el secundario una tensión menor que la que se capta en el primario.

• Por otra parte, un transformador elevador será aquel que disponga de un número de vueltas en el secundario mayor que en el primario, lo que da lugar a una relación de transformación de valor mayor que la unidad.

En general, los transformadores que usamos en casa son reductores: el voltaje de salida es menor que el de entrada (230 V). Además de transformadores, también son rectificadores, pues la corriente que se suministra en los enchufes de casa es alterna, mientras que la que se necesita para la mayoría de los pequeños electrodomésticos que requieren transformador es continua.

2.4.- Tipos de conexiones

 Transformadores monofásicos configuración para corriente monofásicaExisten configuraciones diferentes para sistemas monofásicos y trifásicos. Los transformadores monofásicos son empleados frecuentemente para suministrar energía eléctrica para alumbrado residencial, toma-corrientes, acondicionamiento de aire, y calefacción. Un transformador con un devanado secundario de 120 volts CA puede asegurar el alumbrado y la toma. Pero, un transformador con un devanado secundario de 240 volts CA puede manejar todas las necesidades residenciales mencionadas. Un devanado secundario de 240 volts CA puede manejar los requerimientos de energía eléctrica más elevados de 240 volts relacionados con el aire acondicionado y la calefacción. El mismo secundario de 240 volts CA puede manejar las necesidades de 120 volts CA mediante la derivación del devanado secundario en el centro.Los transformadores monofásicos pueden ser todavía más versátiles si tienen tanto el devanado primario como el devanado secundario fabricados en dos partes iguales. Las dos partes de cualquiera de los devanados pueden entonces ser reconectadas en serie o en paralelo, Configuración en Serie, Configuración en Paralelo. Los transformadores monofásicos tienen habitualmente sus devanados divididos en dos o más secciones. Cuando los dos devanados secundarios están conectados en serie, se agregan sus tensiones. Cuando los devanados secundarios están conectados en paralelo, se agregan sus intensidades.Configuración Delta y Configuración Y Existen dos configuraciones de conexión para la energía trifásica: Delta e Y (estrella). Delta e Y son letras griegas que representan la forma como los conductores en los transformadores están configurados. En una conexión delta, los tres conductores están conectados extremos a extremo en un triángulo o en una forma delta. 

Generador Eléctrico

3.1.- Concepto:

Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos (llamados polos, terminales o bornes) transformando la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estátor). Si se produce mecánicamente un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generará una fuerza electromotriz (F.E.M.). Este sistema está 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 mayoría de los generadores de corriente alterna son de tres fases.

El proceso inverso sería el realizado por un motor eléctrico, que transforma energía eléctrica en mecánica.

3.2.- Principios de funcionamiento

Las máquinas eléctricas son reversibles y pueden trabajar de dos maneras diferentes:

• Como  motor eléctrico: Convierte la energía eléctrica en mecánica.

• Como generador eléctrico: Convierte la energía mecánica en eléctrica.

Para poder funcionar, una máquina eléctrica necesita siempre la aplicación de un campo magnético y una espiral situada dentro de este campo. Así, hay que destacar también que un motor o generador eléctrico constará de dos partes fundamentales:

• Una parte fija llamada estator donde se genera el campo magnético.

• Una parte móvil llamada rotor que gira en su interior y donde se crean los corrientes inducidos.

3.3.- Partes

• La góndola- carcasa que protege las partes fundamentales del aerogenerador

• Las palas del rotor que transmiten la potencia del viento hacía el buje.

• El buje que es la parte que une las palas del rotor con el eje de baja velocidad.

• Eje de baja velocidad que conecta el buje del rotor al multiplicador. Su velocidad de giro es muy lenta.

• El multiplicador,  permite que el eje de alta velocidad gire mucho más rápido que el eje de baja velocidad.

• Eje de alta velocidad, gira a gran velocidad y permite el funcionamiento del generador eléctrico.

• El generador eléctrico que es una de las partes mas importantes de un aerogenerador. Transforma la energía mecánica en energía eléctrica

• El controlador electrónico, es un ordenador que monitoriza las condiciones del viento y controla el mecanismo de orientación.

• La unidad de refrigeración, mecanismo que sirve para enfriar el generador eléctrico.

• La torre que es la parte del aerogenerador que soporta la góndola y el rotor.

• El mecanismo de orientación, está activado por el controlador electrónico, la orientación del aerogenerador cambia según las condiciones del viento.

Biografía de los inventores

• Motores Eléctricos

 Los motores hidráulicos son los más antiguos conocidos (Herón de Alejandría, S. I a. J.C.), utilizaban como fuerza motriz la energía de una masa de agua que cae desde cierta altura, llamada salto. Esta energía se transforma en trabajo útil disponible en el eje de la máquina, que antaño era la rueda hidráulica, actualmente la turbina.

El motor nace por la necesidad de trabajos que, bien por duración, intensidad, manejabilidad o mantenimiento, no puede ser realizado por animales.

Cronología del motor:

Alrededor del 600 d. De J.C. aparecen los molinos de viento, que convierten la energía del viento en movimiento de máquinas.

En 1712 el inventor inglés Thomas Newcomen (1663-1729) construye una máquina de vapor con pistones y cilindros que resulta muy eficiente,

– En 1770 el militar francés Nicolás-Joseph Cugnot (1725-1804) consigue amoldar su motor a vapor a su carreta.

-1782. El ingeniero escocés James Watt (1736-1819) construye una máquina a vapor mucho más eficiente que la máquina de Newcomen.

– El ingeniero franco-belga Etienne Lenoir (1822-1900) construye en 1859 un motor de combustión interna.

– El alemán Nikolaus Otto (1832-1892) construye un motor de 4 tiempos en 1877.

– Germán W. Daimler construye en 1883 un motor de combustión interna muy veloz.

– El ingeniero inglés Charles Parsons (1854-1931) diseña el primer generador electrónico de turbina a vapor.

– 1892. El alemán Rudolf Diesel inventa un motor (llamado motor diesel posteriormente) que funciona con un combustible que se prende a gran presión. En la práctica el motor resulta ser mucho más eficiente que los motores de combustión interna existentes en aquel momento.

– 1903. Los hermanos Orville (1871-1948) y Wilbur (1867-1912) realizan el primer vuelo con motor con su Kitty Hawk que usa un motor de combustión interna.

– El ingeniero británico Frank Whittle (1907) construye en 1937 el primer motor a reacción que funciona.

– Hans von Ohain, ingeniero alemán, construye y pilota el Heinkel He 178, primer avión con motor a reacción. En 1939.

– 1970.Se utiliza el motor a reacción con turboventilador, el más frecuente hoy en día en los aviones, sustituyendo a los antiguos motores 4 tiempos con hélices

• Transformador Electico

Su inventor fue Michael Faraday, también creador del motor eléctrico y del dinamo, quien en 1831 encontró que si una corriente en un conductor de alambre enrollado en una barra de hierro, era interrumpida, se generaría una corriente en un segundo alambre también enrollado a la barra. Para él, lo estimulante del descubrimiento residía en que la energía eléctrica era transferida de un circuito a otro. El transformador, cuyo principio básico fue así descubierto, ha sido de incalculable valor como transmisor de energía, aunque generalmente necesita de una corriente alterna que invierta su dirección.

• Generador Eléctrico

José Faustino Sabater, inventor del Generador Eléctrico J.F.S

Desde que se descubrió la energía eléctrica vivimos insertos en ella, si ahora estamos leyendo nuestra página web favorita, probablemente tengamos el PC o portátil enchufado a la red eléctrica o tal vez el móvil cargando la batería. Si es por la noche nuestras bombillas nos observarán como luciérnagas eternas desde el techo y si hace frio tendremos la estufa puesta. Es imposible imaginar vivir un día a día normal sin energía eléctrica.

Anexos

Michael Faraday

Thomas Newcomen

Conclusión

Al culminar este trabajo me he dado cuenta que los motores eléctricos es una maquina q se encarga de transformar la energía eléctrica o almacenada por medios de campos magnéticos ya que el transformador es una maquina que se encarga de llevar y transformar la energía a menos voltajes especificándose como el primario y secundario según su correspondencia entrada y Salida y el generador eléctrico es un dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial y transformar la energía mecánica a energía eléctrica.

Autor:

Greiliany , Martínez

Enviado por:

Jaime Cuello

Republica Bolivariana de Venezuela

Ministerio del poder popular para la Educación

E.T. "Cándida María de Jesús"

Año: 9no Sección: "C"

Cátedra: Electricidad

Prof: Wilder Delgado

Rosario de perija, Marzo 2012