CONCEPTOS DE ELECTROTECNIA PARA APLICACIONES INDUSTRIALES

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MOTORES Y GENERADORES ELÉCTRICOS. PILAS Y GENERADORES: SIMBOLOGÍA.

 

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MOTORES Y GENERADORES ELÉCTRICOS. PILAS Y GENERADORES: SIMBOLOGÍA.

 

Clasificación de las máquinas o aparatos eléctricos

Para producir, transformar y aprovechar la energía eléctrica se hace uso de diversos tipos de máquinas y aparatos.

Teniendo en cuenta la transformación de energía que efectúan, las máquinas y aparatos eléctricos se clasifican en tres grandes grupos :

Generadores : que transforman en energía eléctrica otra forma cualquiera de energía.

Receptores : que transforman la energía eléctrica en otra forma de energía cualquiera . Es decir, que los receptores efectúan la operación inversa de los generadores.

Convertidores y transformadores : que conservan la energía eléctrica pero modifican su clase o características a fin de hacerla más adecuada para su utilización .

1- Motores y generadores eléctricos

Recibe el nombre de generador eléctrico todo aparato o máquina capaz de producir energía eléctrica a expensas de otra clase de energía .

Según sea la forma de energía absorbida, los generadores eléctricos pueden ser de las tres clases siguientes:

1a Térmicos. Son generadores que transforman energía térmica o calorífica en eléctrica . De esta clase son los llamados pares termoeléctricos.

2a Químicos. Son generadores que transforman energía química en eléctrica. Pertenecen a este grupo las pilas hidroeléctricas y los acumuladores.

3a Mecánicos. Son generadores que transforman energía mecánica en energía eléctrica . Constituyen esta clase de generadores las dínamos y los alternadores .

Motores y generadores eléctricos son los grupo de aparatos que se utilizan para convertir la energía mecánica en eléctrica, o a la inversa, con medios electromagnéticos. A una máquina que convierte la energía mecánica en eléctrica se le denomina generador, alternador o dinamo, y a una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica se le denomina motor.

Dos principios físicos relacionados entre sí sirven de base al funcionamiento de los generadores y de los motores. El primero es el principio de la inducción descubierto por el científico e inventor británico Michael Faraday en 1831. Si un conductor se mueve a través de un campo magnético, o si está situado en las proximidades de otro conductor por el que circula una corriente de intensidad variable, se establece o se induce una corriente eléctrica en el primer conductor. El principio opuesto a éste fue observado en 1820 por el físico francés André Marie Ampère. Si una corriente pasa a través de un conductor situado en el interior de un campo magnético, éste ejerce una fuerza mecánica sobre el conductor. 

La máquina dinamoeléctrica más sencilla es la dinamo de disco desarrollada por Faraday, que consiste en un disco de cobre que se monta de tal forma que la parte del disco que se encuentra entre el centro y el borde quede situada entre los polos de un imán de herradura. Cuando el disco gira, se induce una corriente entre el centro del disco y su borde debido a la acción del campo del imán. El disco puede fabricarse para funcionar como un motor mediante la aplicación de un voltaje entre el borde y el centro del disco, lo que hace que el disco gire gracias a la fuerza producida por el campo magnético.

El campo magnético de un imán permanente sólo tiene fuerza suficiente como para hacer funcionar una dinamo pequeña o motor. Por ello, los electroimanes se emplean en máquinas grandes. Tanto los motores como los generadores tienen dos unidades básicas: el inductor, que crea el campo magnético y que suele ser un electroimán, y la armadura o inducido, que es la estructura que sostiene los conductores que cortan el campo magnético y transporta la corriente inducida en un generador, o la corriente de excitación en el caso del motor. La armadura es por lo general un núcleo de hierro dulce laminado, alrededor del cual se enrollan los cables conductores.

2- GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA

Si una armadura gira entre dos polos magnéticos fijos, la corriente en la armadura circula en un sentido durante la mitad de cada revolución, y en el otro sentido durante la otra mitad. Para producir un flujo constante de corriente en un sentido, o corriente continua, en un aparato determinado, es necesario disponer de un medio para invertir el flujo de corriente fuera del generador una vez durante cada revolución.

En las máquinas antiguas esta inversión se llevaba a cabo mediante un conmutador, un anillo de metal partido montado sobre el eje de una armadura. Las dos mitades del anillo se aislaban entre sí y servían como bornes de la bobina. Las escobillas fijas de metal o de carbón se mantenían en contacto con el conmutador, que al girar conectaba eléctricamente la bobina a los cables externos. Cuando la armadura giraba, cada escobilla estaba en contacto de forma alternativa con las mitades del conmutador, cambiando la posición en el momento en el que la corriente invertía su sentido dentro de la bobina de la armadura. Así se producía un flujo de corriente de un sentido en el circuito exterior al que el generador estaba conectado. Los generadores de corriente continua funcionan normalmente a voltajes bastante bajos para evitar las chispas que se producen entre las escobillas y el conmutador a voltajes altos. El potencial más alto desarrollado para este tipo de generadores suele ser de 1.500 voltios. En algunas máquinas más modernas esta inversión se realiza usando aparatos de potencia electrónica, como por ejemplo rectificadores de diodo.

Los generadores modernos de corriente continua utilizan armaduras de tambor, que suelen estar formadas por un gran número de bobinas agrupadas en hendiduras longitudinales dentro del núcleo de la armadura y conectadas a los segmentos adecuados de un conmutador múltiple. Si una armadura tiene un solo circuito de cable, la corriente que se produce aumentará y disminuirá dependiendo de la parte del campo magnético a través del cual se esté moviendo el circuito. Un conmutador de varios segmentos usado con una armadura de tambor conecta siempre el circuito externo a uno de cable que se mueve a través de un área de alta intensidad del campo, y como resultado la corriente que suministran las bobinas de la armadura es prácticamente constante. Los campos de los generadores modernos se equipan con cuatro o más polos electromagnéticos que aumentan el tamaño y la resistencia del campo magnético. En algunos casos, se añaden interpolos más pequeños para compensar las distorsiones que causa el efecto magnético de la armadura en el flujo eléctrico del campo.

El campo inductor de un generador se puede obtener mediante un imán permanente (magneto) o por medio de un electroimán (dinamo). En este último caso, el electroimán se excita por una corriente independiente o por autoexcitación, es decir, la propia corriente producida en la dinamo sirve para crear el campo magnético en las bobinas del inductor. Existen tres tipos de dinamo según sea la forma en que estén acoplados el inductor y el inducido: en serie, en derivación y en combinación.

Todo generador eléctrico está caracterizado por unos valores que le son própios, e independientes del circuito exterior al cual está acoplado y al que comunica la energía eléctrica que produce .

Figura 1. Generador eléctrico

 

Estos valores constantes, que reciben el nombre de características del generador, son la fuerza electromotriz, la resistencia interior y la intensidad nominal

a) La fuerza electromotriz, es la causa que mantiene a la electricidad en movimiento a lo largo de un circuito. Es producida en el seno del generador.

b) La resistencia interior o resistencia interna, es el valor de la resistencia medida entre los bornes A y B de salida . Esta resistencia corresponde a la parte del circuito eléctrico cerrado situada en el interior del generador desde el borne de entrada de la corriente B hasta el borne de salida A (ver figura anterior).

c) La intensidad de régimen es el valor máximo de intensidad de corriente que puede circular por el generador sin que se produzcan efectos perjudiciales que pudieran ponerlo fuera de servicio .

Utilización del generador eléctrico

Para poder utilizar la energía eléctrica producida por un generador es necesario conectar a sus bornes libres A y B un circuito exterior (fig . 1) de resistencia R.

La resistencia exterior junto con la interior del generador forman un circuito eléctrico cerrado que, al estar sometido a la acción de la fuerza electromotriz producida en el seno del generador, será recorrida por una determinada intensidad de corriente, que recibe el nombre de corriente de carga .

Resistencia total del circuito

Como se ve en la fig. 1, el circuito cerrado está formado por dos resistencias acopladas en serie, una la resistencia interna del generador (representada por r) y otra la resistencia exterior de utilización, conectada a los bornes del generador (representada por R).

Por consiguiente, la resistencia total del circuito cerrado será igual a la suma de los valores de dichas resistencias parciales, o sea

RT = r + R    (1)

Intensidad de corriente

Al ser conectada la resistencia exterior de utilización se presentan las dos condiciones necesarias para que exista una corriente eléctrica.

1º , queda formado un circuito cerrado y

2° este circuito está sometido a la f . e . m . del generador.

La intensidad de corriente que recorre dicho circuito cerrado será calculada mediante la fórmula de la Ley de Ohm . Así se obtiene la expresión

   (2)

Ejemplo 1. Una dínamo produce una f. e . m . de 120 V y tiene una resistencia interna de 0,2 Ω. Si se conecta a sus bornes una resistencia exterior de 7,8 Ω se pregunta : ¿Cuánto vale la resistencia total del circuito cerrado que se forma? ¿Cuál será la intensidad de corriente de carga ?

La resistencia total del circuito cerrado vale

RT = r + R = 0,2 + 7,8 = 8 Ω

Por consiguiente, la intensidad de corriente de carga es de

I = E / (r + R) = 120/8 = 15 A

Caída de tensión interna

Si en la fórmula

despejamos el valor de la f. e. m. encontramos la siguiente expresión :

E = r I + R I        (3)

El segundo miembro de esta expresión contiene la suma de las dos tensiones parciales a que da lugar la f. e . m . producida en el generador.

El primer sumando de ese segundo miembro es la tensión parcial que se pierde en la resistencia interior del generador, es decir, que no es utilizada. Por esta razón recibe el nombre de caída de tensión interna.

Si designamos por Vc a la caída de tensión interior de un generador, su valor viene dado por la expresión.

Vc = r I   voltios     (4)

fórmula que dice : "La caída de tensión interna de un generador es igual al producto del valor de su resistencia interna por el de la intensidad de corriente de carga" .

Ejemplo 2. ¿Cuanto vale la caída de tensión interna en la dínamo del ejemplo 1 ?

Vc = r I = 0,2 X 15 = 3 V

Tensión en bornes

El segundo sumando del segundo miembro de la fórmula (3) es otra de las dos tensiones parciales que cubre la f. e. m. del generador . Esta segunda tensión parcial es utilizada en el circuito exterior y recibe el nombre de tensión en bornes.

Si designamos por Vb a la tensión en bornes del generador, su valor viene dado por la expresión

Vb = R I   (5)

fórmula que dice: "La tensión en bornes de un generador es igual al producto de los valores de la resistencia del circuito exterior por el de la intensidad de corriente de carga."

Ejemplo 3. ¿Cuál será el valor de la tensión en bornes necesaria en un generador para que un circuito exterior de 6 Ω de resistencia de carga sea recorrido por una corriente de 20 A de intensidad?

Vb = R I = 6 X 20 = 120V

Podemos obtener una fórmula que permita deducir el valor de la tensión en bornes conociendo la f. e . m . del generador y su caída de tensión interna. Para ello, si despejamos en la fórmula (3) el valor de la tensión en bornes, se llega a la expresión siguiente :

Vb = E - vc  (6)

fórmula que dice : "El valor de la tensión en bornes de un generador puede ser determinado restando del valor de la fuerza electromotriz producida el de la caída de tensión interna"

Ejemplo 4. ¿Cuánto será el valor de la tensión en bornes de un generador eléctrico que produce una f. e . m . de 220 V sabiendo que su resistencia interna es de 0,25 Ω y que suministra una corriente de carga de 40 A de intensidad ?

La caída de tensión interna del generador alcanza un valor de

vc = r I = 0,25 X 40 = 10 V

Por consiguiente, el valor de la tensión en bornes será

Vb = E - vc = 220 — 10 = 210 V

Potencia útil del generador

La potencia útil de un generador es el valor de la potencia eléctrica en sus bornes. Así, pues, su valor vendrá dado por la expresión

Pu = Vb I   (7)

fórmula que dice : "La potencia útil de un generador es igual al producto del valor de su tensión en bornes por la intensidad de corriente de carga" .

Ejemplo 5

¿Cuánto vale la potencia útil del generador del ejemplo 4 ?

Pu = Vb I = 210 X 40 = 8.400 W = 8,4 kW

Funcionamiento de un generador en vacío

Se dice que un generador funciona en vacío cuando está desconectado el circuito exterior .

Figura 2.

 

Por consiguiente, será nula la corriente suministrada (fig . 2) . También será nula la caída de tensión interior, resultando que la tensión en bornes de un generador cuando funciona en vacío es igual al valor de la f . e . m . producida en su interior .

Así, pues, designando por Vbo el valor de la tensión en bornes del generador funcionando en vacío se puede poner la expresión .

Vbo = E

Observemos que la única manera de poder medir la fuerza electromotriz de un generador es hacerlo funcionar en vacío, con lo cual, midiendo la tensión en bornes, queda determinado el valor de dicha f. e . m .

La potencia útil de un generador en vacío es también nula, al no existir uno de los factores de la potencia, la intensidad de corriente .

Funcionamiento de un generador en cortocircuito

Se dice que un generador funciona en cortocircuito cuando sus bornes quedan unidos mediante una resistencia de muy pequeño valor, prácticamente nula (fig . 3).

Figura 3. Funcionamiento de un generador en cortocircuito

En tales condiciones, la tensión en bornes del generador quedará reducida a un valor próximo a cero, ya que según la fórmula (7) se tiene

Vbcc = R I = cero

Así, pues, la única tensión parcial que se presenta en el circuito cerrado es la caída de tensión en la resistencia interna, es decir, que el valor total de la fuerza electromotriz producida en el generador se utiliza en vencer la caída de tensión interna. Designando por lcc la intensidad en el generador funcionando en cortocircuito la caída de tensión en este caso será r lcc . Luego, podemos poner

E = r lcc

Considerando que el valor de la resistencia interna de un generador es siempre pequeña en comparación con la f. e . m . que produce, resulta que la intensidad de corriente en cortocircuito tendrá un valor muy elevado

fórmula que dice : "La intensidad de corriente en un generador en cortocircuito es igual al cociente que resulta de dividir el valor de la fuerza electromotriz por el de la resistencia interna del mismo" .

Ejemplo 6.

¿Cuánto vale la intensidad de cortocircuito de un generador que produce una  f. e . m . de 220 V con una resistencia interna de 0,25 Ω?

vemos que es un valor elevadísimo, ya que resulta 880 : 40 = 22 veces mayor que la calculada en el ejemplo 4 como corriente nominal .

La potencia útil de un generador funcionando en cortocircuito es nula por serlo la tensión en bornes .

Rendimiento eléctrico de un generador

Ya sabemos que parte de la potencia eléctrica producida por un generador es perdida en el interior del mismo, quedando una potencia útil inferior a la producida .

De acuerdo con la fórmula (3), la f. e. m. o fuerza electromotriz E producida en un generador es igual a la suma de la tensión en bornes Vb y la caída de tensión interna rI

E = R I + r I = Vb + r I

Si multiplicamos los dos miembros de la expresión anterior por el valor de la intensidad de corriente tendremos

E I = Vb I + r I2

En esta expresión, Vb I representa la potencia utilizada en el circuito exterior. Por su parte rI2 es la pérdida de potencia interna del generador, luego la suma de ambas potencias será la potencia eléctrica total producida por el generador .

Rendimiento eléctrico de un generador es la relación entre la potencia eléctrica útil y la total producida por el generador. Representando el rendimiento eléctrico por Re se tiene

de donde simplificando resulta

fórmula que dice : "El rendimiento eléctrico de un generador es igual al cociente que resulta al dividir la tensión en bornes por la fuerza electromotriz "

Así, en el generador estudiado en los ejemplos anteriores, que produce una f. e. m . de 220 voltios y, cuando funciona en carga, su tensión en bornes es Vb = 210 voltios, el rendimiento eléctrico alcanza un valor de

3- MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

En general, los motores de corriente continua son similares en su construcción a los generadores. De hecho podrían describirse como generadores que funcionan al revés. Cuando la corriente pasa a través de la armadura de un motor de corriente continua, se genera un par de fuerzas debido a la acción del campo magnético, y la armadura gira (véase Momento de una fuerza). La función del conmutador y la de las conexiones de las bobinas del campo de los motores es exactamente la misma que en los generadores. La revolución de la armadura induce un voltaje en las bobinas de ésta. Este voltaje es opuesto al voltaje exterior que se aplica a la armadura, y de ahí que se conozca como voltaje inducido o fuerza contraelectromotriz. Cuando el motor gira más rápido, el voltaje inducido aumenta hasta que es casi igual al aplicado. La corriente entonces es pequeña, y la velocidad del motor permanecerá constante siempre que el motor no esté bajo carga y tenga que realizar otro trabajo mecánico que no sea el requerido para mover la armadura. Bajo carga, la armadura gira más lentamente, reduciendo el voltaje inducido y permitiendo que fluya una corriente mayor en la armadura.

Debido a que la velocidad de rotación controla el flujo de la corriente en la armadura, deben usarse aparatos especiales para arrancar los motores de corriente continua. Cuando la armadura está parada, ésta no tiene realmente resistencia, y si se aplica el voltaje de funcionamiento normal, se producirá una gran corriente, que podría dañar el conmutador y las bobinas de la armadura. El medio normal de prevenir estos daños es el uso de una resistencia de encendido conectada en serie a la armadura, para disminuir la corriente antes de que el motor consiga desarrollar el voltaje inducido adecuado. Cuando el motor acelera, la resistencia se reduce gradualmente, tanto de forma manual como automática.

La velocidad a la que funciona un motor depende de la intensidad del campo magnético que actúa sobre la armadura, así como de la corriente de ésta. Cuanto más fuerte es el campo, más bajo es el grado de rotación necesario para generar un voltaje inducido lo bastante grande como para contrarrestar el voltaje aplicado. Por esta razón, la velocidad de los motores de corriente continua puede controlarse mediante la variación de la corriente del campo.

4- OTROS TIPOS DE MÁQUINAS

En aplicaciones especiales se emplean algunos tipos de máquinas dinamoeléctricas combinadas. Por lo general, es deseable cambiar de corriente continua a alterna o a la inversa, o cambiar de voltaje de alimentación de corriente continua, o la frecuencia o fase con alimentación de corriente alterna. Una forma de realizar dichos cambios, es usar un motor que funcione con el tipo disponible de alimentación eléctrica para que haga funcionar un generador que proporcione a su vez la corriente y el voltaje deseados. Los generadores de motor, que están compuestos de un motor que se acopla mecánicamente a un generador adecuado, pueden realizar la mayoría de las conversiones antes indicadas. Un transformador rotatorio es una máquina que sirve para convertir corriente alterna en continua, usando bobinas separadas en una armadura rotatoria común. El voltaje de alimentación de corriente alterna se aplica a la armadura a través de los anillos colectores, y el voltaje de la corriente continua se extrae de la máquina con un conmutador independiente. Un dinamotor, que se usa por lo general para convertir corriente continua de bajo voltaje en corriente de alto voltaje, es una máquina parecida que tiene bobinas de armadura independientes.

Las máquinas de corriente continua conocidas como amplidinas o rototroles, que tienen varias bobinas de campo, se usan como amplificadores de potencia. Un pequeño cambio en la potencia suministrada a una bobina de campo produce un gran cambio en la potencia de salida de la máquina. Estos amplificadores electrodinámicos se utilizan a menudo en servomecanismos y otros sistemas de control.

 

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