1- Motores y generadores eléctricos

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.

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.

CORRIENTE ALTERNADA

Generación de una onda sinusoidal de corriente alternada .

La corriente eléctrica es uno de los fenómenos más importantes para la vida del hombre, a su producción, almacenamiento y distribución se dedican muchísimos recursos, y las mentes de los hombres más brillantes del mundo nos ayudaron a entender cómo utilizarla para nuestro provecho.
Para producir corriente eléctrica es necesario transformar cualquier otro tipo de energía, ya sea hidráulica, eólica, nuclearó la térmica al combustionar petróleo en el movimiento de de unos electroimanes, los cuales generarán por inducción una corriente alterna que luego se distribuirá por las redes de cableado. Ya que todos los materiales ofrecen resistencia al paso de a corriente, cada cierta distancia es necesario colocar transformar.

A través de lo estudiado, hemos interpretado que una corriente eléctrica está constituída por el pasaje de electrones a través de un circuito cerrado en una dirección determinada. Una corriente eléctrica que fluye siempre en una misma dirección recibe el nombre de corriente continua. Una corriente continua puede ser suministrada ordinariamente por pilas o acumuladores y también por generadores o dínamos. Existe, sin embargo, otro tipo de corriente eléctrica, que pasaremos a estudiar enseguida, y que recibe el nombre de corriente alternada. Una fuente de corriente alternada es capaz de suministrar una tensión tal que, si se conecta a la misma un artefacto eléctrico cualquiera, a modo de circuito cerrado, se observará un flujo electrónico de sentido o dirección variable. En otras palabras, es posible producir mediante generadores, una tensión eléctrica de polaridad variable, y consecuentemente dar lugar a una corriente de electrones cuyo sentido de circulación sea también variable. Veamos como es posible llegar a esto.

Ya estudiamos que si un conductor es movido en el ámbito del campo magnético de un iman se genera en dicho conductor una f.e.m. inducida, ocurriendo exactamente lo mismo si en lugar de agitar el conductor se imprimen un movimiento de vaivén al imán cuyo campo magnético influencie al conductor.

Vimos también que el sentido de circulación de esta corriente inducida depende de los movimientos del campo magnético.

Este principio es utilizado para la producción de corriente alternada.

Vayamos a la figura siguiente en donde se representa un alambre conductor dispuesto en forma de espira en el interior de un fuerte campo magnético producido por un imán .

En cambio, al continuar el giro de la espira desde los 180 grados en adelante, el lado A-B de la espira será influenciado por el polo Sur del iman y el lado C-D por el polo Norte. Por lo tanto la f.e.m. inducida hará circúlar una corriente a través de la espira, siempre que él circuito esté cerrado, en la dirección D a C en un costado de la misma y de B a A en el otro costado.

Tenemos entonces que girando la espira de 180 a 270 grados la corriente irá de un valor cero a un valor máximo, pero de sentido contrario con respecto a los giros de 0 a 180 grados. Y finalmente, completando la rotación de la espira desde los 270 a los 360 grados, se producirá en la espira una f.e.m. que irá de su valor máximo en forma paulatina hasta el valor cero observando la corriente el mismo sentido que en el giro de 180 a 270 grados, pero ahora en vez de ir aumentado irá decreciendo hasta ser nula.

De todos estos hechos observamos que la f.e.m. inducida en la espira tendrá valores nulos cuando la misma se encuentre vertical y valores máximos cuando este horizontal correspondiendo al primer caso las posiciones 0 y 180  grados y al segundo caso las posiciones 90 y 270 grados. Es necesario aclarar que la f.e.m. inducida en la espira será tanto mayor cuanto mayor sea la cantidad de vueltas o giros completos que realiza la misma en la unidad de tiempo, o sea el segundo. Además, todas las explicaciones referentes a los distintos valores de f.e.m. para las respectivas posiciones de la espira de nuestro ejemplo, se entenderán siempre considerando a la espira en movimiento, puesto que ya sabemos que para producir una f.e.m. inducida es necesaria una variación en la cantidad de líneas de fuerza cortadas por el conductor.

Si deseamos representar gráficamente los valores de la f.e.m. inducida para cada una de las posiciones de la espira, trazaremos dos líneas perpendiculares. una horizontal que se denomina "abscisa" ( 0° a 360° ) y otra vertical llamada "ordenada" (+e , 0 , -e ) según la figura 3-1.

El punto donde se unen estas dos líneas lo llamamos punto de partida o cero . Sobre la abscisa podemos efectuar una graduación que nos representará el valor de la f.e.m. inducida para cada posición de la espira, y sobre la ordenada también otra graduación, que nos irá indicando los sucesivos tiempos del giro. Así en nuestro caso, al iniciar el movimiento de rotación de la espira tomaremos como referencia el punto de partida cero. Desde 0 a 90 grados la f.e.m. irá en aumento, circulando la corriente en un sentido. De 90 a 180 grados irá disminuyendo, conservando igual sentido de circulación. Para las posiciones de 180 a 270 grados volverá a ir en aumento, pero esta vez en sentido centrario y finalmente de 270 a 360 grados continuará decreciendo y en este mismo sentido.

Si observamos la figura 3-1 , en la que quedan representados los sucesivos valores de la f.e.m. inducida, veremos que cada 180 grados hay una inversión del sentido de la corriente inducida, y una constante variación en los valores de dicha tensión.

Una armadura bobinada girando en un campo magnético uniforme constituye un generador elemental de corriente alternada. Puede usarse un vector que gira uniformemente para simular los lados que cortan el flujo (longitudinales) de la armadura giratoria (Fig. 3-1). Siempre que el vector giratorio o la armadura se mueven en ángulo recto al flujo magnético (entre los polos) , éste corta el máximo número de líneas magnéticas, y la fem inducida alcanza su máximo valor, Em. Cuando la armadura se mueve paralela con el flujo magnético, no corta ninguna línea, y la fem inducida es cero. Supongamos que el campo magnético es de dirección vertical hacia abajo y la armadura (representada por un vector) comienza a girar contraria a las agujas de reloj, desde una posición horizontal la derecha (ver Fig. 3-1). Por lo tanto, el voltaje inducido en la armadura es inicialmente cero. Después de un cuarto de revolución, o un cuarto de ciclo, la armadura alcanza una posición vertical y se mueve en ángulo recto respecto al flujo, entre los polos del imán. En este instante, se alcanza la máxima fem (representada por la longitud del radio vector Em), durante el siguiente cuarto de revolución, la fem inducida disminuye nuevamente y llega a cero en el instante en que la armadura pasa a la posición horizontal (hacia la izquierda) y se mueve paralela al flujo. Una posterior rotación durante el tercer cuarto e giro induce una fem de dirección opuesta, en la bobina de la armadura.

Esta fem alcanza un valor máximo (-Em) cuando el vector giratorio, que representa la armadura, apunta verticalmente hacia abajo y se mueve entre los polos en ángulo recto con el campo (después de 3/4 de revolución). Durante el último cuarto de revolución, la fem inducida disminuye nuevamente y alcanza el valor cero cuando la armadura ha completado una revolución completa, o ciclo (igual a 360° de circunferencia) .

Es evidente que solamente la porción de la armadura que se mueve en ángulo recto con el flujo es efectiva para inducir una fem en la bobina. Esta componente que corta al flujo puede ser determinada proyectando la posición angular del vector giratorio (o armadura) sobre un diámetro vertical. Para algún ángulo θ entre el vector (o armadura) y la horizontal, la componente vertical (que corta al flujo) del vector es:

E_m senθ

donde E_m es la longitud del vector, y es igual a la máxima fem inducida. Por lo tanto, podemos escribir para el voltaje, e, generado en cualquier instante,

e= E_m senθ

Para una armadura que gira uniformemente, el ángulo θ barrido por la armadura es igual al producto de la velocidad angular (ω ) y el tiempo (t) ; es decir, θ = ωt. Por lo tanto,

e= E_m senθ = E_m senωt

Si el voltaje inducido instantáneo, e, se representa en función del tiempo o del ángulo, se obtiene la onda sinusoidal mostrada en la figura 3-1. Además si el voltaje inducido se aplica a una carga resistiva, la corriente instafitánea, i, sufrirá variaciones similares al voltaje con respecto al valor máximo de la corriente, I_m; es decir,

i= I_msenθ=I_msenωt

Resumiendo conceptos: La energía eléctrica se puede generar de dos formas distintas, en continua o en alterna. En su forma de continua, sólo existe un valor para designar una magnitud determinada; este valor es además inalterable con el tiempo y será el empleado para realizar los cálculos (los números y operaciones serán, pues, algebraicos). En su forma alterna, por el contrario, necesitamos definir tanto el valor de la magnitud como su frecuencia. El valor de la magnitud periódica, asimismo, puede expresarse de diferentes formas, pero siempre como vector, lo que complicará los cálculos. Llegados a este punto es importante saber, de todos estos posibles valores, ¿cuál utilizaremos para realizar cálculos?

Para responder a la pregunta, primeramente vamos a representar una magnitud alterna cualquiera (A), en función del tiempo. El proceso ocurre como si un vector fuera rotando en un círculo hasta cubrir los 360º, representándose sus proyecciones sobre un plano. La forma que irá tomando la magnitud será una senoide periódica, la cual tendrá unos máximos positivos o negativos y unos puntos (paso por
cero), en los cuales su valor será nulo.

Como mínimo podemos encontrar las siguientes expresiones para representar la magnitud (A), de forma que:
• A_pp = valor pico a pico, es decir, la diferencia entre valores extremos que alcanza la magnitud a lo largo de todo un periodo.
• A_máx = valor máximo que alcanza la magnitud con un signo determinado (positivo o negativo).
Coincide con la mitad del valor pico a pico, si se trata de una senoide periódica regular.
• A_i = valor instantáneo que va tomando la magnitud a lo largo del tiempo. Este valor es ampliamente usado para estudios de regímenes transitorios.
• A = valor eficaz de la señal (es el equivalente al valor de la magnitud que en continua causaría los mismos efectos térmicos y energéticos en un sistema eléctrico).
Una de las formas más empleadas para designar el valor de una magnitud en alterna es el valor eficaz, aunque no es un valor real como los otros (ya que se obtiene por cálculo al igualar las pérdidas energéticas por efecto Joule que un elemento produciría si se conectase en alterna o en continua); es el valor más parecido a la energía continua que se conoce, produciéndose en cada periodo el mismo gasto energético si un circuito se conecta en continua, o bien si se conecta en alterna, siempre que el valor en alterna se haya tomado como eficaz. Este valor, al variar con el tiempo, describe ángulos diferentes, no pudiéndose representar solamente por un valor algebraico, siendo necesario el uso de fasores o vectores (parte real más parte imaginaria, o, módulo más ángulo).

Algunas relaciones para señales periódicas senoidales son:

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