Resumen
Las máquinas eléctricas son dispositivos capaces de transformar un tipo de energía en otra por ejemplo de un sistema mecánico a un eléctrico o viceversa. Siendo interesante conocer los aspectos que hacen que posible esta conversión, funcionamiento y demás.
Introducción
Si se analiza el aporte que han hecho las máquinas eléctricas desde sus orígenes hasta nuestros días, es valiosísimo debido a que han contribuido tanto para el desarrollo industrial y tecnológico.
Por etiquetarlas dentro de una clasificación se dice que las máquinas eléctricas se clasifican en estáticas y rotativas: siendo parte los transformadores en la primera categoría y en la segunda alternadores y motores de alterna (cuyo estudio no compete en este paper), generadores y los motores en continua.
Antecedentes
Desde que en 1832 apareció la famosa Ley de Faraday, se dio paso a la historia de las máquinas eléctricas y hasta mediados de la octava década del siglo pasado representa la naturaleza de las máquinas eléctricas de corriente continua.
Los nombres que están tras los aportes a este tema se encuentran:
Dominique Francois Jean Arago (1786 -1853)
Andre Marie Ampere (1775 – 1836)
Michael Faraday (1791 – 1867)
En el transcurso de éste tiempo las máquinas de este tipo atravesaron por cuatro períodos:
1) Máquinas tipo magneto eléctricos con imanes permanentes
2) Máquinas tipo electromagnético con excitación independiente.
3) Máquinas del mismo tipo con autoexcitación y tipo elemental del inducido.
4) Máquina de tipo polos múltiples con inducido perfeccionado.
Arraigados al primer período se encuentran los nombres de un par de científicos rusos, E. J. Lenz y B. S. Jacobi.
A partir de la segunda y tercera etapa se dio paso a la última de ellas en la cual se fue perfeccionando el trabajo previo realizado; en cuanto a la construcción. Tuvieron un extenso campo de aplicaciones iniciando con turbogeneradores de alta velocidad pero de limitada potencia, pasando por aplicaciones a navíos y trenes hasta su desarrollo actual impulsado por la teoría de los devanados del inducido y conexiones compensadoras.
Las máquinas eléctricas de corriente continua se clasifican en motores y generadores.
Figura1: Clasificación de máquinas D.C
Generador: transforman la energía mecánica en energía eléctrica
Motor: Transforma la energía eléctrica en energía mecánica.
Construcción
La máquina de corriente continua se inicia describiendo a partir de sus componentes más significativos.
Los elementos básicos son:
Inductor
Inducido
Escobillas
Culata o carcasa
Entrehierro
Cojinetes
(a)
(b)
Figura2: (a) y (b) partes constitutivas de las máquinas eléctricas
Figura3: Cuadro de aspectos constructivos.
Inductor: se le llama también estator porque es la parte fija de la máquina. Se encarga de producir y conducir el flujo magnético.
A su vez consta de los siguientes elementos:
Pieza polar: es la que sujeta a la culata o yugo de la máquina, incluye al núcleo y su expansión.
Yugo: es necesario para cerrar el circuito magnético de la máquina; generalmente está constituido por hierro fundido o acero.
Núcleo: es parte del circuito magnético de la máquina junto con los polos, las expansiones polares, el entrehierro, inducido y la culata, y en él se hallan los devanados inductores.
Polos: están fabricados de acero y silicio laminado. Las láminas del polo no se encuentran aisladas entre sí debido a que el flujo principal no varía con el tiempo.
Expansiones polares: es la parte más ancha de la pieza polar, se encuentra cerca del inducido (rotor) de la máquina.
Devanado Inductor: está formado por el conjunto de espiras que, en número prefijado para cada tipo de máquina, producirá el flujo magnético cuando circule la corriente eléctrica.
Inducido: El inducido constituye el otro elemento fundamental de la máquina. Se denomina también rotor por ser la parte giratoria de la misma. Y consta a su vez de: núcleo del inducido, devanado inducido y colector.
Núcleo del inducido: está formado por un cilindro de chapas magnéticas que están construidas, generalmente, de acero laminado con un 2% de silicio para mejorar las pérdidas en el circuito magnético. Este cilindro se fija al eje de la máquina, el cual descansa sobre unos cojinetes de apoyo. Las chapas que forman el inducido o rotor de la máquina disponen de ranuras en las que se alojan los hilos de cobre del devanado inducido.
Devanado Inducido: se encuentra conectado al circuito exterior de la máquina a través del colector, y siendo en el donde se produce la transformación de la energía.
Colector: es un conjunto de láminas de cobre, llamadas delgas, aisladas entre si y conectadas a las secciones del devanado del rotor. Sobre las delgas se deslizan las escobillas.
Escobillas: son fabricadas generalmente de carbón o de granito se encuentran en un porta – escobillas y se unen al borde del inducido mediante un conductor flexible.
Cojinetes: sirven de apoyo al eje del rotor de la máquina.
Entrehierro: es el espacio existente entre la parte fija y la parte móvil de la máquina, es decir, entre el rotor y las expansiones polares, evitándose así el rozamiento entre ambos.
Funcionamiento
Las máquinas de corriente continua pueden trabajar como motor o generador. Las bases de su funcionamiento se cimentan en los siguientes principios (generador electromagnético):
Cuando un conductor que se encuentra situado en el interior de un campo magnético se mueve de tal forma que corta las líneas de flujo magnético, se genera en él una fuerza electromotriz (fem).
Al circular una corriente eléctrica a través de un conductor situado dentro de un campo magnético, se produce una fuerza mecánica que tiende a mover al conductor en dirección perpendicular a la corriente y al campo magnético.
Figura4: Generación de una fem.
En los devanados del inducido de la máquina, inducirá una f.e.m. en los conductores del núcleo al ser cruzados por el flujo del estator como consecuencia del giro del rotor.
El eje que forma la alineación de las escobillas es la línea neutra que indica las posiciones en las que se produce la inversión de la fuerza electromotriz (f.e.m.) en las bobinas del inducido al pasar las espiras correspondientes de uno a otro polo del campo magnético inducido.
En los inducidos en anillo, el número de circuitos derivados coincide con el número de polos y escobillas.
Para el funcionamiento de esta máquina como generador o como motor, el paso de corriente continua por los conductores del inducido provoca en el rotor un par electromagnético que tiene un carácter resistente para el trabajo como generador y un carácter de motor cuando la máquina mueve una carga mecánica.
Para calcular la magnitud de ese par consideraremos la corriente total del inducido y la f.e.m. del mismo de manera que:
Este par será resistente en el caso de transformación de energía mecánica en eléctrica (generador), y de rotación en el caso de un motor.
4.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR:
Figura5: funcionamiento de un motor
Si se hace circular una intensidad por una bobina inmersa en un campo magnético, ésta sufre un par motor con tendencia a alinear ambos campos magnéticos, el propio de la bobina y el externo.
4.2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN GENERADOR:
Figura6: funcionamiento de un generador.
La f.e.m. que se induce en la espira es alternativa (variable con el tiempo).La f.e.m. que se obtiene a la salida de la máquina (escobillas) es la misma que se induce en la espira (alternativa y variable en el tiempo), debido a la conexión entre los extremos de la espira y las escobillas, a través de los anillos.
Con la máquina girando a una cierta velocidad V, la f.e.m. que se induce en la espira es alterna: cambia de signo cada vez que se pasa por debajo de cada polo.
El colector es un dispositivo que rectifica la f.e.m. para obtener una tensión continua (unidireccional) y positiva (sin cambios de polaridad).
(a)
(b)
(c)
Figura7: (a) (b) y (c) Efecto del funcionamiento del generador.
Conclusiones
El estudio realizado sintetiza los aspectos básicos de las máquinas eléctricas de corriente continua, iniciando por su historia; pasando por sus partes estructurales y sus principios de funcionamiento. De esta manera se loga comprender claramente el papel que han ido desempeñando conjuntamente con el avance de la sociedad a través de los tiempos.
Referencias
[1] http://www.uco.es/~el1bumad/docencia/oopp/tema7.pdf, "Máquinas Rotativas de corriente continua, principio y descripción", Fecha de visita: 20 – 01 – 12.
[2] http://www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/capitulo/8448127641.pdfl," Máquinas eléctricas rotativas", Fecha de visita: 21 – 01 – 12.
[3] http://www.upnfm.edu.hn/bibliod/images/stories/tindustrial/libros%20de%20electricidad/Maquinas%20electricas/Maquinas%20rotatorias.pdf, "Máquinas eléctricas rotativas", Fecha de visita: 20 – 01 – 12.
[4] http://www.uncp.edu.pe/newfacultades/ingenieriasarqui/newelectrica/phocadownload/descargas/maquinas%20de%20corriente%20continua.pdf, "Breve historia de máquinas eléctricas", Fecha de visita: 21 – 01 – 12.
[5] http://www.tuveras.com/maquinascc/estructura.htm ,"Estructura de las máquinas eléctricas", Fecha de visita: 21 – 01 – 12.
Autor:
Lisset Valeria Bermeo Chimbo