12 May
Introducción a las Máquinas Eléctricas
En la figura se muestra, de un modo simplificado, la perspectiva de una máquina eléctrica. Observando sus aspectos constructivos y teniendo en cuenta el cuadro de clasificación general de las máquinas eléctricas, se debe deducir de forma razonada de qué máquina se trata. A continuación, se explica brevemente su funcionamiento como generador y como motor, indicando las aplicaciones más importantes en la ingeniería.
Máquinas Síncronas
Se observa que es una máquina eléctrica rotativa (n ≠ 0), en la que el inductor, de corriente continua (f1 = 0), está en el rotor. El inducido es trifásico y está situado en el estator. Por tanto, es una máquina síncrona.
Funcionamiento como Generador (Alternador)
Cuando funciona como generador, se introduce energía mecánica por el eje y, al aplicar c.c. al inductor, se obtiene en el inducido una f.e.m. de frecuencia f2 = ± n·p/60, que se aplica a la carga. La c.c. necesaria para alimentar el inductor se obtiene de un alternador piloto con los devanados inductor e inducido invertidos más un puente rectificador rotativo, o de la rectificación de la alterna de salida realimentada al inductor.
El alternador es la máquina generadora más importante, proporcionando la mayor parte de la energía eléctrica consumida. Están situados en centrales hidráulicas, térmicas y nucleares con potencias de hasta 1000 MW; también se encuentran en grupos electrógenos acoplados a motores de combustión interna.
Funcionamiento como Motor
La máquina síncrona puede funcionar también como motor introduciendo una c.a. de frecuencia f2 por el inducido (teniendo el inductor f1 = 0), apareciendo un par en el rotor que lo hace girar a velocidad 60·f/p (velocidad de sincronismo). Los motores síncronos se utilizan cuando interesa una gran constancia en la velocidad y para regular el factor de potencia (compensadores síncronos).
Circuitos Magnéticos Excitados con Corriente Alterna
La ley de Hopkinson, definida por la ecuación F = Φ·R, establece la relación básica entre el flujo (Φ), la fuerza magnetomotriz (f.m.m., F) y la reluctancia (R). A diferencia de la excitación con c.c., donde la corriente es independiente de las características magnéticas del núcleo, en la excitación con c.a. el flujo está impuesto por la tensión aplicada y su frecuencia.
Cuando la bobina se alimenta con c.a., el flujo es función directa de la magnitud y frecuencia de la tensión aplicada, siendo independiente de la naturaleza del material del núcleo. Si se aumenta la reluctancia (por ejemplo, mediante un entrehierro), el flujo se mantiene constante, pero la bobina absorberá más corriente de la red.
Transformadores
Se trata de una máquina estática (n=0) constituida por dos devanados: el primario (inductor) y el secundario (inducido). Para mejorar el acoplamiento, ambos se arrollan sobre un núcleo cerrado de chapas magnéticas de acero al silicio.
La relación de transformación se define como m = V1/V2 = N1/N2. Los transformadores permiten adaptar las tensiones de las redes a valores más económicos, reduciendo las corrientes en las líneas de transporte.
Máquinas Asíncronas o de Inducción
Es una máquina rotativa caracterizada por un devanado inductor en el estator (c.a. de frecuencia f1) que crea un campo magnético giratorio. El rotor, generalmente en jaula de ardilla, gira a una velocidad n cercana a la de sincronismo (n1).
Su simplicidad y robustez las hacen aptas para grúas, ascensores y maquinaria industrial, cubriendo más del 80% de los motores eléctricos empleados en la industria.
Teorema de Ferraris
El teorema de Ferraris demuestra la posibilidad de producir un campo magnético giratorio a partir de un sistema de tres devanados fijos desfasados 120° eléctricos, alimentados por corrientes trifásicas. La f.m.m. resultante es F(t,α) = 1,5·Fm·cos(ωt – p·α), lo que equivale a un imán permanente girando a la velocidad de sincronismo.
Pérdidas de Energía en Núcleos Ferromagnéticos
Las pérdidas se dividen en dos tipos:
- Pérdidas por histéresis: Debidas a la energía disipada en el ciclo de imanación del material. Se estiman mediante la fórmula de Steinmetz: PH = kH·f·vol·Bmα.
- Pérdidas por corrientes de Foucault: Corrientes parásitas inducidas en el núcleo conductor. Se minimizan utilizando núcleos laminados (chapas aisladas).
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