| 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 :
1° Generadores : que transforman en energía eléctrica otra forma cualquiera
de energía.
2° Receptores : que transforman la energía eléctrica en otra forma de energía
cualquiera . Es decir, que los receptores efectúan la operación inversa de los generadores.
3° 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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