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 permanentes2) 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