MARCO TEORICOMAQUINAS ELECTRICASSe entiende por mquina elctrica al conjunto de mecanismos capaces de generar, aprovechar o transformar la energa elctrica. Si la mquina convierte energa mecnica en energa elctrica se llama generador, mientras que si convierte energa elctrica en energa mecnica se denomina motor. Esta relacin se conoce como principio de conservacin de laenerga electromecnica.

GENERADOR

Energa elctricaEnerga MecnicaMquina elctrica

MOTORTeniendo en cuenta lo que hemos estudiado hasta el momento, podemos clasificar las mquinas elctricas rotativas en:

Generadores. Transforman la energa mecnica en energa elctrica.

GENERADOREnerga elctricaEnerga Mecnica

MotorEnerga elctricaEnerga Mecnica Motores. Transforman la energa elctrica en energa mecnica.

Podemos realizar otra clasificacin de las mquinas elctricas teniendo en cuenta el tipo de corriente elctrica que utilizan, el nmero de fases, etc.

Constitucin general de las mquinas elctricas rotativas

La constitucin de toda mquina elctrica rotativa (tanto de c.c. como de c.a.) es muy similar. Si sacrificamos un excesivo rigor cientfico por brevedad y sencillez, describiremos a continuacin las partes ms relevantes de toda mquina elctrica rotativa, lo cual nos permitir conocer tanto sus limitaciones como sus aplicaciones ms adecuadas.

Toda mquina elctrica rotativa consta de los siguientes elementos bsicos. Inductor. Inducido. Escobillas. Culata o carcasa. Entrehierro. Cojinetes.

Tabla de Clasificacin general de las mquinas elctricas rotativas.

Partes constitutivas de las mquinas elctricas rotativas.

InductorEs una de las dos partes fundamentales que forman una mquina elctrica, se encarga de producir y de conducir el flujo magntico. Se le llama tambin estator por ser la parte fija de la mquina. El inductor, a su vez, consta de los siguientes elementos: la pieza polar, el ncleo, el devanado inductor y la expansinpolar.La pieza polar, sujeta a la culata de la mquina, incluye al ncleo propiamente dicho y a su expansin. El ncleo forma parte del circuito magntico de la mquina junto con los polos, las expansiones polares, el entrehierro, inducido y la culata, y en l se encuentran los devanados inductores.El devanado inductor est formado por el conjunto de espiras que, en nmero prefijado para cada tipo de mquina, producir el flujo magntico cuando circule la corriente elctrica.La expansin polar es la parte ms ancha de la pieza polar, y se encuentra prxima al inducido o rotor de la mquina.

InducidoEl inducido constituye el otro elemento fundamental de la mquina. Se denomina tambin rotor por ser la parte giratoria de la misma. Consta, a su vez, de ncleo delinducido, devanado inducido y colector.El ncleo del inducido est formado por un cilindro de chapas magnticas que estn construidas, generalmente, de acero laminado con un 2 % de silicio para mejorar las prdidas en el circuito magntico. Este cilindro se fija al eje de la mquina, el cual descansa sobre unos cojinetes de apoyo. Las chapas que forman el inducido o rotor de la mquina disponen de ranuras en las que se alojan los hilos de cobre del devanado inducido.El devanado inducido se encuentra conectado al circuito exteriorde la mquina a travs del colector, y es en l donde seproduce la conversin de energa. El hilo de cobre utilizadopara los devanados inducido e inductor es de cobre electroltico,el cual presenta una resistividad de 0,017a 20 C de temperatura.El colector es un conjunto de lminas de cobre, denominadasdelgas, aisladas entre s y conectadas a las seccionesdel devanado del inducido. Sobre las delgas se deslizan lasescobillas.

EscobillasGeneralmente, se fabrican de carbn o de grafito, se hallan alojadas en un porta escobillas desde donde se deslizan sobre las delgas del colector y, mediante un conductor flexible, se unen a los bornes del inducido.

CulataComo se observa en las primeras figuras, la culata es la envolturade la mquina elctrica y est hecha de material ferromagntico.Su misin es conducir el flujo creado por el devanadoinductor. Tambin se unen a ella los polos de la mquina. EntrehierroSe denomina entrehierro al espacio existente entre la partefija y la parte mvil de la mquina, es decir, entre el rotory las expansiones polares, evitndose de esta manera el rozamientoentre ambos. CojinetesSirven de apoyo al eje del rotor de la mquina.

MAQUINAS SINCRONICAS

La mquina sincrnica es un convertidor electromecnico de energa con una pieza giratoria denominada rotor o campo, cuya bobina se excita mediante la inyeccin de una corriente continua, y una pieza fija denominada estator o armadura por cuyas bobinas circula corriente alterna. Las corrientes alternas que circulan por los enrollados del estator producen un campo magntico rotatorio que gira en el entrehierro de la mquina con la frecuencia angular de las corrientes de armadura. El rotor debe girar a la misma velocidad del campo magntico rotatorio producido en el estator para que el torque elctrico medio pueda ser diferente de cero. Si las velocidades angulares del campo magntico rotatorio y del rotor de la mquina sincrnica son diferentes, el torque elctrico medio es nulo. Por esta razn a esta mquina se la denomina sincrnica; el rotor gira mecnicamente a la misma frecuencia del campo magntico rotatorio del estator durante la operacin en rgimen permanente.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Y CONSTRUCCIN DEL GENERADOR SINCRNICO

El generador sncrono es el principal generador de la energa elctrica que se utiliza en todo el mundo. La mquina sncrona se puede hacer funcionar como motor y como generador, por lo tanto la construccin del generador sincrnico es la misma que la del motor sncrono. Una de las caractersticas principales del generador sncrono, es que su rotor o parte rotatoria se construyen de dos formas: rotores de polos salientes y rotores de polos lisos o cilndricos. Los primeros se usan por lo general en centrales hidroelctricas y los segundos en centrales trmicas impulsados por turbinas de vapor. Otra parte importante de la mquina es el estator tambin conocido como armadura, representa la parte fija de la mquina y est formado por las laminaciones de acero de alta permeabilidad magntica. Tanto el rotor como el estator representan las partes principales del generador sincrnico. Su principio de funcionamiento se basa en la ley de induccin electromagntica Faraday. En este caso se aplica una excitacin de corriente directa a las terminales del devanado del rotor con el propsito de producir un campo magntico. Posteriormente el rotor del generador se hace girar mediante un motor primario dando como resultado la produccin de un campo magntico rotatorio en la mquina, a su vez este campo magntico induce en el devanado del estator voltaje de salida, cumplindose de esta forma la ley de Faraday. En esta mquina se tienen devanados en el rotor y en el estator, a los devanados del rotor tambin se le conoce como devanado de campo y al devanado del estator como devanado de inducido. En la figura se observa el rotor de un generador sincrnico una seccin de corte.

Generador sincrnico monofsico: en una mquina rotatoria elemental formada por una bobina plana que gira en un campo magntico fijo con el espacio y constante en el tiempo, se induce un voltaje alterno sinusoidal en los terminales (X Y) de la bobina debido a la variacin en el tiempo del flujo enlazado por sta (ley de Faraday). Si a un alternador trifsico se le retira la mquina motriz y se alimenta su estator mediante un sistema trifsico de corriente alterna se genera en el estator un campo magntico giratorio, cuya velocidad sabemos que es N = 60 f/p donde f es la frecuencia de la red, y p es el nmero de pares de polos del rotor. Si en estas circunstancias, con el rotor parado, se alimenta el devanado del mismo con corriente continua se produce un campo magntico rotrico fijo, delante del cual pasa el campo magntico del estator. Los polos del rotor estn sometidos ahora a atracciones y repulsiones en breves periodos detiempo, por parte de los polos del estator pero el rotor no consigue girar, a lo sumo vibrar.Al llevar el rotor a la velocidad de sincronismo, hacindolo girar mediante un motor auxiliar, al enfrentarse polos de signo opuestos se establece un enganche magntico que les obliga a seguir girando juntos, pudiendo ahora retirar el motor auxiliar. Este enganche magntico se produce ya que el campo giratorio estatrico arrastra por atraccin magntica al rotor en el mismo sentido y velocidad.

PAR ELECTROMAGNTICO VRS. NGULO DE PAR El par de reluctancia aparece por la tendencia que tienen las piezas de hierro de ser atradas por los polos magnticos, de forma que el campo magntico busca siempre el circular por el camino de mnima reluctancia magntica.

En la Fig. a, a la pieza polar A es atrada por el polo sur del estator y la pieza polar B es atrada por el polo norte del estator. Esto da lugar a la aparicin de un par de reluctancia MR de sentido anti horario.

En la Fig. b, la pieza polar A es atrada por el polo norte del estator y la pieza polar B es atrada por el polo sur del estator. Esto da lugar a la aparicin de un par de reluctancia MR de sentido horario.

En la Fig. c la pieza polar A es atrada por el polo norte del estator y la pieza polar B es atrada por el polo sur del estator. Esto da lugar a la aparicin de un par de reluctancia MR de sentido anti horario.Finalmente, en la Fig. d la pieza polar A es atrada por el polo sur del estator y la pieza polar B es atrada por el polo norte del estator. Esto da lugar a un par de reluctancia MR de sentido horario.Luego, cuando el ngulo g vara de 0 a 360 elctricos y, consecuentemente, el ngulo de par d tambin vara de 0 a 360, el par de reluctancia MR cambia de signo cada 90; lo que es coherente con que dicho par sea funcin de Sen().

Caracterstica Par - ngulo de par ()Supongamos una mquina sncrona cilndrica de resistencia del estator R despreciable, corriente de excitacin Ie constante (luego, E0 permanece constante) y reactancia sncrona Xs constante que est conectada a una red de potencia infinita. El hecho de que se trate de una red de potencia infinita significa que la tensin V y la frecuencia f en bornes del inducido sern constantes. Esto, a su vez, conlleva que la velocidad de sincronismo W1 permanecer invariable.

Por lo tanto, las caractersticas P - d y M - d son sinusoidales y los valores mximos de estas magnitudes se producen cuando el ngulo de par d vale 90.

EFICIENCIALas caractersticas particulares de los motores monofsicos, sobre todo su baja eficiencia y bajo factor de potencia, limitan su aplicacin a los casos en que la potencia requerida es relativamente baja; es decir, desde milsimos de caballo ( hp ) hasta hp, en el caso general. Por supuesto, en casos especiales en que no se cuenta con alimentacin trifsica pueden utilizarse motores monofsicos hasta de 7 hp aproximadamente. Lo anterior podra conducir a pensar que los motores monofsicos tienen generalmente poca aplicacin.Sin embargo, la gran cantidad de unidades en servicio pone de relieve la necesidad de considerar a estas mquinas una parte significativa del sector de utilizacin de la energa elctrica. La operacin de un motor monofsico puede visualizarse ms claramente si se considera la siguiente prueba. Supngase que durante la operacin de un motor trifsico se interrumpe la alimentacin por una de las fases. Si la carga del motor no es excesiva, continuar girando aunque a una velocidad ligeramente ms baja y tomando mayor corriente de la lnea. Esto equivale a decir que la mquina funciona como motor monofsico, y desarrolla par de rotacin mientras est en movimiento. Si por alguna causa se detuviera la marcha del motor y se tratara de volver a ponerlo en movimiento con una fase interrumpida, se vera que el motor no es capaz de arrancar.

MAQUINAS DE CORRIENTE DIRECTA

La mquina de corriente continua puede ser utilizada tanto como generador o como motor, aunque en la actualidad su uso est dado como motor, ya que la generacin de energa en corriente continua se logra mediante equipos rectificadores, de mejor eficiencia y menor costo. En cuanto a su uso como motor, tiene gran importancia en la industria automotriz ya que los vehculos, cuentan con un nmero importante de motores de pequea potencia (limpiaparabrisas, motor de arranque, levanta vidrios, calefactor, etc).

CONSTRUCCION

Las mquinas de cd pequeas tienen razones grandes de superficie a volumen y trayectorias cortas para que el calor llegue a las superficies de disipacin. El enfriamiento requiere un poco ms que medios para soplar aire en el rotor y entre los polos. Las piezas embutidas en el rotor estn montadas firmemente en el eje, sin conductos de aire en ellas.Las unidades ms grandes, con ncleos ms largos y profundos, usan la misma construccin pero con agujeros longitudinales en las piezas embutidas del ncleo para el aire de enfriamiento.Las mquinas medianas y grandes deben tener grandes superficies de disipacin de calor y contar con aire de enfriamiento bien dirigido, ya que de lo contrario se formarn lugares calientes. Sus piezas embutidas de ncleo estn montadas en brazos, para permitir que grandes volmenes de aire de enfriamiento lleguen a los muchos ductos de ventilacin del ncleo, as como a los espacios de ventilacin entre las extensiones del extremo de la bobina.

TIPOS DE MAQUINAS O MOTORES DE DCLos motores de corriente continua se clasifican segn la forma de conexin de lasbobinas inductoras e inducidas entre s. Motor de excitacin independiente Motor en serie Motor en derivacin o motor Shunt Motor Compound

El motor de excitacin independiente es tal que el inductor y el inducido se alimentan de dos fuentes de energa independientes. El motor serie es tal que los devanados del inductor y del inducido se encuentran en serie. El motor Shunt dispone los devanados inductor e inducido en paralelo. El motor Compound consta de dos devanados inductores, uno est en serie con el devanado inducido y el otro en paralelo.

MOTORES EN DERIVACIN

Es el tipo de motor de corriente continua cuya velocidad no disminuye mas que ligeramente cuando el par aumenta. En los motores de corriente continua y especialmente los de velocidad prcticamente constante, como los shunt, la variacin de velocidad producida cuando funciona en carga y en vaco da una base de criterio para definir sus caractersticas de funcionamiento. Excepcionalmente, la reaccin del inducido debera ser suficientemente grande para que la caracterstica de velocidad fuera ascendente al aumentar la carga. Los polos de conmutacin han mejorado la conmutacin de los dinamos de tal manera que es posible usar un entrehierro mucho ms estrecho que antiguamente. Como la armadura de un motor gira en un campo magntico, se genera una f.e.m. en los conductores que se opone a la direccin de la corriente y se le conoce como fuerza contra electromotriz. La f.e.m. aplicada debe ser bastante grande como para vencer la fuerza contra electromotriz y tambin para enviar la corriente Ia de la armadura a travs de Rm, la resistencia del devanado de la armadura y las escobillas.

MOTOR SERIE

Como se coment antes, en este tipo de motores las bobinas inductoras y las inducidas estn conectadas en serie. La conexin forma un circuito en serie en el que la intensidad absorbida por el motor al conectarlo a la red (tambin llamada corriente de carga) es la misma, tanto para la bobina conductora (del estator) como para la bobina inducida (del rotor). (Iinducido=Iexc)El motor serie es tal que:1. Puede desarrollar un elevador par-motor de arranque, es decir, justo alarrancar, el par motor es elevado.2. Si disminuye la carga del motor, disminuye la intensidad de corrienteabsorbida y el motor aumenta su velocidad. Esto puede ser peligroso. En vaco elmotor es inestable, pues la velocidad aumenta bruscamente.3. Sus bobinas tienen pocas espiras, pero de gran seccin.

Usos: Tiene aplicaciones en aquellos casos en los que se requiera un elevado par de arranque a pequeas velocidades y un par reducido a grandes velocidades. El motor debe tener carga si est en marcha. Ejemplos: tranvas, locomotoras, trolebuses.Un taladro no podra tener un motor serie, Por qu? Pues porque al terminar de efectuar el orificio en la pieza, la mquina quedara en vaco (sin carga) y la velocidad en la broca aumentara tanto que llegara a ser peligrosa la mquina para el usuario.

EFICIENCIA O RENDIMIENTO

El rendimiento puede determinarse midiendo simultneamente la potencia til (suministrada) y la absorbida y tomando su relacin de la Exp.1. Con frecuencia, esto es muy difcil o impracticable. Aunque en un generador es sencillo medir la potencia til con aparatos elctricos, es en cambio difcil la potencia motriz, ya que requiere la medida del par. Si se dispone de un dinammetro elctrico, se simplifica mucho la medicin, pero esta clase de dinammetro no se dispone ordinariamente ms que en equipos especiales. Con los motores, se determina fcilmente la potencia absorbida, con aparatos elctricos, y la til mediante un freno de Prony o un dinammetro. Sin embargo, excepto para potencias pequeas, es difcil absorber la energa en un freno de Prony, y tambin los dinammetros son instrumentos especiales y limitados hasta potencias de 100 caballos. Tanto para los motores como los generadores, especialmente para potencias elevadas, es con frecuencia imposible suministrar y absorber la energa que se necesita para la prueba.

MAQUINAS DE INDUCCION

Las mquinas de induccin trifsicas o asincrnicas, y en particular los motores con rotor tipo jaula de ardilla, son en la actualidad las mquinas elctricas de mayor aplicacin industrial (entre el 80% y 90% de los motores industriales son de induccin trifsicos). La razn de este amplio uso radica principalmente en que este tipo de mquinas son en general de bajo costo de fabricacin y mantencin, su diseo es compacto obteniendo mxima potencia por unidad de volumen. Adems, gracias a los avances en electrnica de potencia, los mtodos de control son cada vez ms sofisticados y precisos lo que permite que, cada vez con mayor frecuencia, el motor de induccin reemplace al motor de corriente continua en aplicaciones industriales (correas transportadoras, ascensores, traccin elctrica, etc.)La operacin usual de la mquina de induccin es como motor, en cuyo caso el funcionamiento bsico consiste en alimentar el enrollado del estator desde una fuente trifsica para producir un campo magntico rotatorio. Este campo magntico gira a una velocidad sncrona (s) de acuerdo con la frecuencia elctrica de alimentacin e induce corrientes en el rotor mediante el mismo efecto que el transformador (induccin). Gracias a las corrientes de estator y rotor es posible generar torque motriz en el eje de la mquina.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Campo Magntico Rotatorio del estator.Un estator con tres enrollados idnticos, ubicados fsicamente a 120 y alimentados con voltaje trifsico equilibrado, origina un campo magntico rotatorio de magnitud constante el cual gira a una cierta velocidad (s) constante.En efecto, cada uno de los enrollados origina un flujo cuya magnitud vara sinusoidalmente en el tiempo y cuya direccin principal, coincide con el eje del enrollado. De este modo, se genera para cada fase una fuerza magnetomotriz en el estator (Fe) que, de acuerdo con la ley de Ampere, est dada por:

En la Figura, se ejemplifica este fenmeno para la fase a.

Las expresiones para las fuerzas generadas por cada fase, en un punto cualquiera delentrehierro, resultan ser:

Donde es el ngulo entre la fuerza magnetomotriz resultante y el eje del enrollado de la fase a. Consideremos un sistema de referencia de ejes d-q, en el cual haremos coincidir el eje d con el eje del enrollado de la fase a, segn se muestra en la Figura 6.1.Si definimos:

Donde es la frecuencia elctrica de alimentacin.La fuerza magnetomotriz total, correspondiente a la suma de las fuerzas generadas las fasesa, b y c, proyectada en el eje q es:

Donde:

DeslizamientoSe define como deslizamiento (S) el cuociente de las velocidades de los campos magnticosrotatorios del rotor y estator:

Visto desde el punto de vista elctrico, el deslizamiento permite establecer una relacin entre lafrecuencia de las corrientes de alimentacin y las corrientes inducidas en el rotor, de este modo:

Donde:fres la frecuencia de las corrientes rotricas.fes la frecuencia de las corrientes de alimentacin del estator.En general, el deslizamiento es un parmetro que permite caracterizar la operacin de la mquina de induccin. En efecto, la maquina acta como motor (la energa de la fuente que alimenta al estator se transfiere al eje) slo si la velocidad angular del rotor es menor a la velocidad sincrnica (S