Una Máquina Eléctrica (1)

8/17/2019 Una Máquina Eléctrica (1)

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Una máquina eléctrica (un motor eléctrico).Una máquina eléctrica es un dispositivo capaz de transformar cualquier forma

de energía en energía eléctrica o a la inversa y también se incluyen en estadenición las máquinas que transforman la electricidad en la misma forma deenergía pero con una presentación distinta más conveniente a su transporte outilización. e clasican en tres grandes grupos! generadores" motores ytransformadores.

#os generadores transforman energía mecánica en eléctrica" mientras que losmotores transforman la energía eléctrica en mecánica $aciendo girar un e%e. &lmotor se puede clasicar en motor de corriente continua o motor de corrientealterna. #os transformadores y convertidores conservan la forma de la energíapero transforman sus características.

Una máquina eléctrica tiene un circuito magnético y dos circuitos eléctricos.'ormalmente uno de los circuitos eléctricos se llama ecitación" porque al serrecorrido por una corriente eléctrica produce los amperio vueltas necesariospara crear el u%o establecido en el con%unto de la máquina.

*esde una visión mecánica" las máquinas eléctricas se pueden clasicar enrotativas y estáticas. #as máquinas rotativas están provistas de partesgiratorias" como las dinamos" alternadores" motores. #as máquinas estáticas nodisponen de partes móviles" como los transformadores.

&n las máquinas rotativas $ay una parte %a llamada estator y una parte móvilllamada rotor. 'ormalmente el rotor gira en el interior del estator. +l espacio deaire eistente entre ambos se le denomina entre$ierro. #os motores ygeneradores eléctricos son el e%emplo más simple de una máquina rotativa.

potencia de máquinas eléctricas

#a potencia de una máquina eléctrica es la energía desarrollada en la unidadde tiempo. #a potencia de un motor es la que se suministra por su e%e. Una

dinamo absorbe energía mecánica y suministra energía eléctrica" y un motorabsorbe energía eléctrica y suministra energía mecánica.

#a potencia que da una máquina en un instante determinado depende de lascondiciones eternas a ella, en un dinamo del circuito eterior de utilización yen un motor de la resistencia mecánica de los mecanismos que mueve.

&ntre todos los valores de potencia posibles $ay uno que da las características


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de la máquina" es la potencia nominal" que se dene como la que puedesuministrar sin que la temperatura llegue a los límites admitidos por losmateriales aislantes empleados. -uando la máquina traba%a en esta potenciase dice que está a plena carga. -uando una máquina traba%a durante brevesinstantes a una potencia superior a la nominal se dice que está traba%ando en

sobrecarga.

e clasican en tres grandes grupos! generadores" motores y transformadores.

-lasicación segn el servicio

&s importante conocer la clase de servicio a la que estará sometida unamáquina!

ervicio continuo! -orresponde a una carga constante durante un tiemposucientemente largo como para que la temperatura llegue a estabilizarse.ervicio continuo variable! e da en máquinas que traba%an constantementepero en las que el régimen de carga varía de un momento a otro.ervicio intermitente! #os tiempos de traba%o están separados por tiempos dereposo. /actor de marc$a es la relación entre el tiempo de traba%o y la duracióntotal del ciclo de traba%o.ervicio uní $orario! #a máquina está una $ora en marc$a a un régimenconstante superior al continuo" pero no llega a alcanzar la temperatura queponga en peligro los materiales aislantes. #a temperatura no llega aestabilizarse.0endimiento &ditar

*e manera general" se dene como la relación entre potencia til y potenciaabsorbida epresado en 1

2ipos de máquinas eléctricas

3áquinas eléctricas-orriente 3áquinas rotatorias 3áquinas estáticas-orrientealterna

monofásicay trifásicaíncronas 4enerador3otor-ompensador+síncronas 3otor4enerador-ompensador


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-onmutadas 3otor monofásico en serie-onvertidor de frecuencia

2ransformador0egulador de inducción5ariador de fase

-iclo convertidor-orrientecontinua-onmutadas 4enerador3otor-ompensador

2roceador+-*--onmutadas 3otor universal-onvertidor0ecticador6nversor

-olector (motor eléctrico)

7atente de 2esla (U.. 7atent 89:;


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aislada de él. #as coneiones eléctricas desde la parte rotativa del sistema"como el rotor de un generador" son $ec$as $asta el anillo. #as coneiones %aso escobillas están en contacto con el anillo" transriendo la energía eléctricadel eterior" a la parte rotativa del sistema.

&ste sistema es similar a el de escobillas y conmutadores" encontrado endiversos tipos de motores de corriente continua. 3ientras que los colectoresson continuos" los conmutadores son segmentados ya que a diferencia de losprimeros los cuales se usan en +-" estos se usan en *- donde la corriente nocambia de sentido con respecto al tiempo" así" se deben usar solo mitades deanillos para invertir la corriente. 7or lo anterior" los términos no deben serusados intercambiablemente. #os colectores también son usados enaplicaciones donde energía eléctrica o se=ales deben ser transmitidas a undispositivo rotativo" tal como un faro de aeródromo" tanque rotativo"retroecavadora o radiotelescopio. + menudo transformadores rotativos en vezde colectores en situaciones de alta velocidad o ba%a fricción.

-olector de ba=o de mercurio &ditar

#os colectores con ba=o de mercurio" conocidos por su ba%a resistencia y suconeión estable" usan un principio diferente que reemplaza el contactodeslizante de la escobilla por una cama de metal líquido molecularmentead$eridos a los contactos. *urante la rotación" el metal líquido mantiene laconeión eléctrica entre los contactos rotativos y estacionarios. in embargo" eluso de mercurio plantea problemas de seguridad" debido a que es unasustancia tóica. i una aplicación de colector involucra la fabricación o

procesamiento de alimentos" equipos farmacéuticos o cualquier otro uso dondela contaminación podría ser un grave peligro" debería elegirse contactos demetales preciosos. #a ltración del mercurio y la contaminación resultantepodría ser etremadamente peligrosa.

-ampo magnético que rota como suma de vectores magnéticos a partir de 8bobinas de la fase.

0otor" estator y ventilador de un motor eléctrico.&l motor eléctrico es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en

energía mecánica por medio de la acción de los campos magnéticos generadosen sus bobinas. on máquinas eléctricas rotatorias compuestas por un estatory un rotor.

+lgunos de los motores eléctricos son reversibles" ya que pueden transformarenergía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores odinamo. #os motores eléctricos de tracción usados en locomotoras o en


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automóviles $íbridos realizan a menudo ambas tareas" si se dise=anadecuadamente.

on utilizados en innidad de sectores tales como instalaciones industriales"comerciales y particulares. u uso está generalizado en ventiladores"

vibradores para teléfonos móviles" bombas" medios de transporte eléctricos"electrodomésticos" esmeriles angulares y otras $erramientas eléctricas"unidades de disco" etc. #os motores eléctricos pueden ser impulsados porfuentes de corriente continua (*-)" y por fuentes de corriente alterna (+-).

#a corriente directa o corriente continua proviene de las baterías" los panelessolares" dínamos" fuentes de alimentación instaladas en el interior de losaparatos que operan con estos motores y con recticadores. #a corrientealterna puede tomarse para su uso en motores eléctricos bien seadirectamente de la red eléctrica" alternadores de las plantas eléctricas deemergencia y otras fuentes de corriente alterna bifásica o trifásica como losinversores de potencia.

#os peque=os motores se pueden encontrar $asta en relo%es eléctricos. #osmotores de uso general con dimensiones y características más estandarizadasproporcionan la potencia adecuada al uso industrial. #os motores eléctricosmás grandes se usan para propulsión de trenes" compresores y aplicaciones debombeo con potencias que alcanzan :?? megavatios. &stos motores puedenser clasicados por el tipo de fuente de energía eléctrica" construcción interna"aplicación" tipo de salida de movimiento" etcétera.

@erner von iemens patentó en :9


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ingeniero 3oritz von Dacobi" quien los presentó por primera vez al mundo en:98E.

7rincipio de funcionamiento

#os motores eléctricos son dispositivos que transforman energía eléctrica enenergía mecánica. &l medio de esta transformación de energía en los motoreseléctricos es el campo magnético. &isten diferentes tipos de motoreseléctricos y cada tipo tiene distintos componentes cuya estructura determina lainteracción de los u%os eléctricos y magnéticos que originan la fuerza o par detorsión del motor.

&l principio fundamental que describe cómo es que se origina una fuerza por lainteracción de una carga eléctrica puntual q en campos eléctricos y magnéticoses la #ey de #orentz!

donde!

q ! carga eléctrica puntual! -ampo eléctrico! velocidad de la partícula! densidad de campo magnético&n el caso de un campo puramente eléctrico la epresión de la ecuación sereduce a!

#a fuerza en este caso está determinada solamente por la carga q y por el

campo eléctrico . &s la fuerza de -oulomb que acta a lo largo del conductororiginando el u%o eléctrico" por e%emplo en las bobinas del estator de lasmáquinas de inducción o en el rotor de los motores de corriente continua.

&n el caso de un campo puramente magnético!

#a fuerza está determinada por la carga" la densidad del campo magnético y lavelocidad de la carga . &sta fuerza es perpendicular al campo magnético y a ladirección de la velocidad de la carga. 'ormalmente $ay muc$ísimas cargas enmovimiento por lo que conviene reescribir la epresión en términos de

densidad de carga y se obtiene entonces densidad de fuerza (fuerza porunidad de volumen)!

+l producto se le conoce como densidad de corriente (amperes por metrocuadrado)!

&ntonces la epresión resultante describe la fuerza producida por la interacciónde la corriente con un campo magnético!


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&ste es un principio básico que eplica cómo se originan las fuerzas ensistemas electromecánicos como los motores eléctricos. in embargo" lacompleta descripción para cada tipo de motor eléctrico depende de suscomponentes y de su construcción.

5enta%as

+ igual potencia" su tama=o y peso son más reducidos.e pueden construir de cualquier tama=o y forma" siempre que el volta%e lopermita.

2iene un par de giro elevado y" segn el tipo de motor" prácticamenteconstante.u rendimiento es muy elevado (típicamente en torno al FG 1" aumentando amedida que se incrementa la potencia de la máquina).&ste tipo de motores no emite contaminantes" aunque en la generación deenergía eléctrica de la mayoría de las redes de suministro" sí se emitencontaminantes.'o necesita de refrigeración ni ventilación eterna" están autoventilados.'o necesita de transmisiónHmarc$as.3otores de corriente continua &ditar

+rtículo principal! 3otor de corriente continua

*iversos motores eléctricos.#os motores de corriente continua se clasican segn la forma como estén

conectados" en!

3otor serie3otor compound3otor s$unt3otor eléctrico sin escobillas+demás de los anteriores" eisten otros tipos que son utilizados en electrónica!

3otor paso a pasoervomotor

3otor sin ncleo3otores de corriente alterna &ditar

+rtículo principal! 3otor de corriente alterna&isten tres tipos" siendo el primero y el ltimo los más utilizados!

3otor universal" puede traba%ar tanto en -+ como en --.3otor asíncrono


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3otor síncronoUsos &ditar

Iceanvolt" motor eléctrico marino#os motores eléctricos se utilizan en la gran mayoría de las máquinas

modernas. u reducido tama=o permite introducir motores potentes enmáquinas de peque=o tama=o" por e%emplo taladros o batidoras. u elevadopar motor y alta eciencia lo convierten en el motor ideal para la tracción detransportes pesados como trenes, así como la propulsión de barcos"submarinos y dmperes de minería" a través del sistema *iéselJeléctrico.

-ambio de sentido de giro

7ara efectuar el cambio de sentido de giro de los motores eléctricos decorriente alterna se siguen unos simples pasos tales como!

7ara motores monofásicos nicamente es necesario invertir las terminales deldevanado de arranque" esto se puede realizar manualmente o con relésconmutadores7ara motores trifásicos nicamente es necesario invertir dos de las coneionesde alimentación correspondientes a dos fases de acuerdo a la secuencia detrifases.7ara motores de corriente alterna es necesario invertir los contactos del par dearranque.0egulación de velocidad &ditar

íncronos trifásicos eisten dos formas de poder variar la velocidad" una esvariando la frecuencia mediante un equipo electrónico especial y la otra esvariando la polaridad gracias al dise=o del motor. &sto ltimo es posible en losmotores de devanado separado o los motores de coneión >ilandera" pero sóloes posible tener un cambio de polaridad limitado" por e%emplo" de dos y cuatropolos.

&scobillas.&n electricidad" es necesario" frecuentemente" establecer una coneión

eléctrica entre una parte %a y una parte rotatoria en un dispositivo. &ste es elcaso de los motores o generadores eléctricos" donde se debe establecer unaconeión de la parte %a de la máquina con las bobinas del rotor.

7ara realizar esta coneión" se %an dos anillos en el e%e de giro" generalmentede cobre" aislados de la electricidad del e%e y conectados a los terminales de labobina rotatoria. &nfrente de los anillos se disponen unos bloques de carbón"que mediante unos resortes" $acen presión sobre ellos para establecer el


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contacto eléctrico necesario. &stos bloques de carbón se denominan escobillasy los anillos rotatorios reciben el nombre de colector.

&n determinado tipo de máquinas electromagnéticas" como los motores ogeneradores de corriente continua" los anillos del colector están divididos en

dos o más partes" aisladas unas de otras y conectadas a una o más bobinas. &neste caso" cada una de las partes en que está dividido el colector se denominadelga.

*ebido a que" por el roce que se ocasiona al girar el dispositivo se produce undesgaste por abrasión" las escobillas deben ser sustituidas periódicamente. 7oreste motivo se $an inventado los motores eléctricos sin escobillas.

-onmutador con escobillas.0esulta curioso el $ec$o de que un elemento con estructura poliédrica sedenomine escobilla" cuando para nosotros el término escobilla siempre estáasociado $acia algo lamentoso. &n realidad" la escobilla" como tal" surgiócomo resultado a un problema que se presentó cuando las primeras máquinaseléctricas fueron desarrolladas. &l problema que debían resolver era llevar unacorriente eléctrica desde una masa giratoria a una masa estacionaria (lo que seconoce $oy en día como rotor y estator).

&l primer elemento que se utilizó para llevar corriente eléctrica de una masagiratoria a una masa estacionaria fue" precisamente" una escoba" una broc$a.&l inventor" tomó un cable con una serie de lamentos metálicos" como virutasde fundición" los agrupó con un anillo metálico" como una broc$a de afeitar" y

las dispuso en contacto con una supercie energizada" el anillo rozador de ungenerador de corriente alterna rudimentaria. *e a$í" que su nombre original enel idioma inglés fuera brus$" nombre que respondía eactamente al elementoque se estaba inventando. &sta solución resultó ser relativamente práctica paramáquinas peque=as y máquinas lentas. 7ero en la medida en que las potenciasde los generadores se fueron $aciendo más grandes" la broc$a de pelosmetálicos ya era desec$ada" porque éstos se recalentaban" se fundíanrápidamente y se quebraban. 7or esta razón se vio la necesidad de pasar a unmaterial más resistente.

e llega entonces a lo que es una escobilla para máquinas eléctricas" que sedene en primera instancia como un frotadorJconductor de corriente. Unelemento mecánico y eléctrico cuya misión es transferir corriente de intensidadmuy variable" entre la masa giratoria y su circuito eterior de alimentación outilización.

&l primer error que se cometió fue pensar en la utilización de un materialconductor. e pensó en escobillas de cobre" $ierro y bronce" las cuales


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realizaron muy bien su traba%o como conductores" pero no resultaron serbuenos materiales en relación de roce" ya que debido al alto coeciente derozamiento que $ay entre dos supercies metálicas" ambas se deteriorabanrápidamente. *ebido a que desgastaban rápidamente los anillos" las llamadasKescobillas metálicasK fueron apartadas.

-omo consiguiente se invirtió el análisis. /ue preciso buscar primero un buenfrotador que tuviera unas condiciones aceptables como conductor. *espués demuc$as evaluaciones se llegó a un material sólido" como el carbón. &n esemomento era un carbón amorfo" de características muy diferentes a las que seconocen $oy en día. in embargo" la idea $a persistido $asta la actualidad(L?:E)" debido a que la estructura molecular del carbón es ecelente para lafricción. #o cierto es que éste se deteriora con el tiempo y desgasta también almismo colector" aunque debe pasar un periodo de tiempo muy prolongadopara que esto suceda.

#a composición molecular del carbón en forma de grato recuerda a la formade un libro. on moléculas $eagonales dispuestas en forma de láminas comosi de un libro se tratase y es muy fácil retirar sus capas eternas. &sto se puedecomprobar si su%etamos una escobilla y pasamos por ella el dedo ,advertiremosque la capa es muy fácil de desprender. &sta característica convierte a estematerial en un candidato ecelente para la fricción.

&l carbón es un material autoJlubricado" que no ataca la supercie sobre la queestá frotando y no se desgasta aceleradamente. &l grato o carbón no es unecelente conductor de la electricidad, sin embargo" se puede intervenir

eléctrica y químicamente sobre él para convertirlo en un KregularK o KbuenKconductor de la electricidad" condición que resulta de un valor incalculablecuando tiempo después se llega a la máquina de corriente contina.

&l desarrollo de las máquinas eléctricas potenció rápidamente que sedesarrollaran también los diversos materiales para la fabricación de escobillas.&s decir" si la primera máquina fue el generador de corriente alterna" másadelante aparecería el propio motor de corriente alterna" la aparición de lacorriente continua con su generador" su motor y una serie de desarrollos comola 3áquina /raccionaria Universal y los motores de corriente alterna con

velocidad variable" o el mismo motor de inducción con rotor bobinado quepresenta una serie de retos para las escobillas y obligó a los fabricantes adesarrollar grados especiales e innovaciones continuas en este campo.

#os ferrocarriles" en la mayoría de los países" $an adoptado motores decorriente continua con unidades convertidoras" bien sea en subestaciones o enun tren. #as máquinas laminadoras y las de tracción eléctrica utilizadas en lasminas de carbón requieren frecuentemente la alimentación en corriente


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continua" que también ofrece venta%as en la propulsión marina y plantasauiliares. &n síntesis" el desarrollo en el dise=o y el control de las máquinas decorriente continua las $ace sumamente tiles para traba%os de toda naturaleza.

&l funcionamiento satisfactorio de las máquinas de corriente continua se $a

debido" en gran parte" al uso de escobillas de carbón especiales con unacorrecta graduación" y de los polos de conmutación. &l estudio de las escobillasde carbón y su aplicación correcta en las máquinas modernas es de granimportancia para todos los usuarios de maquinaria eléctrica.

#a correcta aplicación y selección de las escobillas" con%untamente con eladecuado mantenimiento" se traduce en la me%ora del rendimiento de lamáquina y en unos menores costes de parada.

-onmutatriz#a conmutatriz rotativa (o convertidor rotativo) es una máquina eléctrica

rotativa que acta como un recticador o inversor de tipo mecánico. eutilizaba para convertir corriente alterna en corriente continua y viceversaantes de la llegada de la recticación de estado sólido con el avance de laelectrónica de potencia. /ueron usadas comnmente para proporcionarcorriente continua para usos comerciales" industriales y sobre todo para laelectricación de los ferrocarriles y metros.

-omo la gran mayoría de las máquinas eléctricas" es reversible y tambiénpuede funcionar como generador" dínamo o motor.

#a conmutatriz dispone en su inducido de un colector de delgas por el cual sealimenta o da corriente continua y de un con%unto de anillos rozantes para latoma de corriente alterna. &l inducido de una conmutatriz es la parte giratoriade la máquina. u bobinado" estudiado desde la parte del colector de delgas"corresponde al de una máquina de corriente continua" mientras que desde laparte de los anillos rozantes" a un bobinado cerrado de corriente alterna.M:N

+plicaciones

#os sistemas de tracción eléctrica $asta $ace muy poco sólo utilizaban

corriente continua. pues antes era más fácil de regular la velocidad" arranque yfrenado de los motores de *- que de los de +-. Un uso típico de losconvertidores de +-H*- eran la electricación ferroviaria" donde la energíaeléctrica de la red era +- pero los trenes estaban dise=ados para funcionar a*-. +ntes de la invención de los recticadores de vapor de mercurio o losrecticadores de alta potencia basados en semiconductores" esta conversiónsolo era posible usando motoresJgeneradores o conmutatrices rotativas. +símismo" la mayoría de procesos electroquímicos utiliza corriente continua de


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alta intensidad" como la galvanización o electrodeposición.

Ibsolescencia

#as conmutatrices rotativas +- a *- fueron $ec$as obsoletas por los

recticadores de vapor de mercurio en la década de :;8? (aunque volvieroncuando se descubrieron los efectos da=inos de este gas)" y más tarde por losrecticadores sólidos de semiconductores $acia los


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sistema $eafásico. &stas tomas se realizan a sendos anillos rozantes.

i por los anillos rozantes se conecta a una red trifásica (o $eafásica)" laconmutatriz se comporta como un motor síncrono y por su colector de delgasse etrae corriente continua! dentro de una sola máquina se produce la

transformación de +- a *-. &nergizando los bobinados con corriente +-" estase comporta como motor síncrono de +-. #a rotación de estas bobinasenergizadas ecita las bobinas estacionarias produciendo parte de la corriente*-. #a otra parte es corriente alterna que entra por los anillos rozantes" y quees recticada a *- por el conmutador giratorio (escobillas y colector dedelgas). &sto $ace a la conmutatriz rotativa una ingeniosa máquina" siendo unadinamo $íbrida y un convertidor síncrono. Usada de esta manera se suelellamar convertidor rotativo síncrono" dinamo convertidor o convertidorsíncrono. #os anillos rozantes permiten a la máquina traba%ar como alternador(ver /ormas de utilización). &l dispositivo puede invertir su funcionamiento yaplicando corriente continua a los bobinados $acer girar la máquina y generar+-.

Una forma de visualizar lo que ocurre dentro de un convertidor rotativo +-JaJ*- es imaginar un interruptor rotativo operado por un motor que estásincronizado con la red eléctrica. &ste interruptor recticaría la +- sinnecesidad de campo magnético. Una conmutatriz es más comple%a que estesencillo caso" porque genera prácticamente corriente continua en vez de lacorriente continua QpulsanteQ en forma de sinusoide que resultaría de esteinterruptor inversor" pero la analogía puede que sea til para entender que elconvertidor evita transformar toda la energía eléctrica a mecánica" y de nuevo

a eléctrica.

+sí pues" se deduce que la venta%a respecto a un con%unto motorJgenerador esque parte de la energía eléctrica uye directamente de la entrada a la salida"siendo este aparato muc$o más compacto que su $omólogo de igual potencia.

/ormas de utilización

#a conmutatriz rotativa puede funcionar de siete formas diferentes.

-omo dinamo. i se $ace girar el rotor (inducido)" se obtiene corriente continuapor el colector de delgas.-omo alternador. i se $ace girar el rotor (inducido)" se obtiene corrientealterna por el sistema de anillos rozantes.-omo generador polimórco. -omo puede verse" puede obtenerse a la vez" deuna sola máquina" corriente alterna por los anillos rozantes y corriente continuapor el colector de delgas.-omo motor de corriente continua. i se aplica tensión continua en el colector


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de delgas la máquina girará como un motor de corriente continua" y podríaobtenerse +- de los anillos rozantes. i se $ace funciona como-omo motor síncrono. i se aplica corriente alterna por los anillos rozantes" y lamáquina es arrancada por medios eternos $asta velocidad de sincronismo conla red de +-" la máquina continuará girando por sí misma sincronizada con la

+- como un motor síncrono. 7odría obtenerse *- por el conmutador. Usada deesta manera sería .-onmutatriz directa. e alimenta con corriente alterna por los anillos rozantes yse obtiene corriente continua por el colector de delgas. 2ransforma corrientealterna en corriente continua.-onmutatriz inversa. e alimenta con corriente continua por el colector dedelgas y" funcionando como un motor $unt" cede corriente alterna por losanillos rozantes. 2ransforma corriente continua en alterna.Pobinados

+l traba%ar estas máquinas con corriente alterna y continua" el bobinadoinducido debe cumplir con las condiciones de ambos casos. &n cuanto a lascaracterísticas de un bobinado de corriente continua" este debe ser rotórico ycerrado con un paso lo más próimo posible a la distancia diametral. &n cuantoa las características para corriente alterna es necesario que las tomas para losanillos rozantes estén dispuestas de tal forma que las fuerzas electromotricescorrespondientes a cada anillo sean iguales y su fase sea igual al ángulocaracterístico del sistema. &l inducido" al igual que en una dinamo" pude serondulado o imbricado.

&n un bobinado imbricado cada anillo se conecta a un nmero de tomas igual

al nmero de pares de polos que tenga la máquina. &l nmero de tomas detensión alterna de la máquina es igual al producto del nmero de pares depolos por el nmeros de fases y el paso de tomas en nmero selecciones es de!

*onde!

R S paso de tomas en nmero de selecciones. S nmero de secciones.p S pares de polos.q S fases.

6ntensidad de corriente en el inducido

#a intensidad que recorre el inducido de una conmutatriz depende de la formade utilización de la misma.

-uando funciona como una máquina de corriente continua" una dinamo o unmotor" la intensidad por el inducido es prácticamente constante con el sentidocambiante en cada conmutación.


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-uando traba%a como máquina de corriente alterna" motor síncrono oalternador" la intensidad de corriente por el inducido es alterna.-uando traba%a como generador bimórco (generando -- y -+simultáneamente) la intensidad es alterna teniendo un valor instantáneo iguala la suma de los componentes de -- y -+ en cada instante.

-uando traba%a como convertidor en cualquiera de los dos modos" el valor de lacorriente que recorre el inducido es" en cada instante" el valor de lasdiferencias de las corrientes continua y alterna en ese instante.7otencia de una conmutatriz

-uando una conmutatriz funciona como máquina convertidora" la corrientecontinua que circula por el inducido es menor a la que circularía si funcionaracomo dinamo. *e este $ec$o se deducen dos cosas" que la máquina se calientamenos cuando funciona como conmutatriz que cuando lo $ace como dinamo yque el rendimiento es mayor.

0elación de tensiones

#as tensiones de las líneas de continua y alterna de una conmutatriz guardanuna relación directa entre ellas. &sta relación depende del nmero de fasestomadas del inducido.

-onmutatriz monofásica &ditari $acemos traba%ar a una conmutatriz monofásica en modo de generadorbimórco y tenemos dos puntos de coneión en el inducido" U y T" situados a:9?O entre sí y conectados a sendos anillos colectores y $acemos girar el

inducido dentro del campo magnético creado por los polos" obtenemos unacorriente alterna sinusoidal cuyo valor de pico corresponde a cuando los bornesestán en la línea neutra teórica del campo magnético que corresponde a dondeestán situadas las escobillas + y P. &n este punto el valor instantáneo de latensión alterna coincide con el valor de la continua

-onmutatriz polifásicai en el bobinado inducido de una conmutatriz se realizan tres tomas U" 5 y @en tres puntos separados :L?O" tendremos una conmutatriz trifásica con lasfases conectadas en triángulo cerrado. *e la misma forma se pueden realizar

seis tomas separadas


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forma!

-omo el ángulo es el total de los 8


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istema $eafásico,

+rranque de una conmutatriz

*e los diferentes modos de traba%o que una conmutatriz puede realizar" elnormalmente utilizado es el modo de conmutatriz directa" convirtiendocorriente alterna en corriente continua. &n este modo de traba%o $ay que $acergirar la máquina inicialmente. 7ara ello $ay dos métodos" uno consiste enutilizar un motor eterno a la misma que la arrastre $asta la velocidad de giroestablecida por la red (de sincronismo) y otro es arrancar la máquina como unmotor asíncrono.

+rranque con motor auiliare arranca como si fuera un motor síncrono" arrastrándolo mediante un motorauiliar asíncrono.

+rranque como motor asíncrono>ay varias formas de producir el arranque segn la construcción de lamáquina. Uno de ellos es que el sistema polar vaya provisto de un bobinadoamortiguador. &l campo giratorio que se crea mediante el bobinado de laarmadura produce corrientes inducidas en las barras del bobinadoamortiguador comenzando la parte rotórica a girar $asta alcanzar unavelocidad próima a la velocidad de sincronismo" como cualquier motorasíncrono" llamándose a esta peque=a diferencia de velocidad respecto la desincronismo KdeslizamientoK. &n este momento" ya es posible obtener energía

eléctrica *- en el colector de delgas" de manera que esta puede usarse paraalimentar las bobinas del inductor y convertir la máquina asíncrona en unasíncrona. -uando esto ocurra se cierra el circuito inductor $aciendo que el rotoralcance la velocidad de sincronismo.

&ste modo de arranque es muy delicado y $ay que $acerlo con cuidado.3ientras no se alcance la velocidad síncrona impuesta por la red de +-" en losbornes de las escobillas apoyadas sobre el colector de delgas" aparecerá unatensión alterna no deseada" lo que obliga a tener que cerrar el interruptor quealimenta el inductor con precisión cuando el sentido de la corriente sea el

correcto para la ecitación.

entido de giro y polaridad&l sentido de rotación de una conmutatriz depende naturalmente de susconeiones con el manantial de energía eléctrica que la alimenta" salvo si estaes bifásica (corriente alterna simple)" caso en el que la máquina gira en elsentido del impulso que recibió en el arranque. 7udiera creerse que lapolaridad de la corriente continua en el colector depende del sentido de


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rotación de la máquina" pero no ocurre tal cosa, sin embargo" aunque se $alledeterminado con %eza el sentido de rotación de la conmutatriz por susconeiones permanentes a la red de +-" la polaridad que sale de ella por elcolector no lo está y puede variar cada vez que la máquina se pone en marc$a.7or eso estas variaciones requieren de un conmutador bipolar de algn tipo en

los conductores de salida de corriente continua que permita intercambiar lasconeiones si es preciso. Un e%emplo de este comportamiento se observó en laconmutatriz de :?? Ailovatios instalada en la &posición de 4inebra de :9;<para alimentar lámparas de arco. #a primera noc$e las coneiones fueroncorrectas" polo positivo con el carbón positivo del colector. +l día siguiente lapolaridad $abía cambiado" y dos días después volvió a cambiar.

#a polaridad de la máquina depende de las corrientes de /oucault inducidas enlas masas metálicas en el momento %usto de sincronizarse la conmutatriz.

0egulación de tensión y factor de potencia

&n una conmutatriz que traba%a en modo directo el valor de la tensión decontinua en los bornes de las escobillas depende del valor de la tensión alternacon la que se introduce por los anillos rozantes. #a regulación de la tensióncontinua se realiza mediante la regulación de la alterna. #a regulación de latensión alterna se puede realizar con un transformador con varias salidas" coninductancias puestas en serie o con un regulador de inducción que permiteregulaciones en un amplio margen de valores.

#a conmutatriz vista desde el lado de alterna es un motor síncrono por lo que la

variación del factor de potencia se realiza igual que en un motor de este tipo.-uando se varía la intensidad de la corriente de ecitación" varía el u%o polar ycon él el factor de potenciaN

4enerador de una fase que genera una corriente eléctrica alterna (cambiaperiódicamente de sentido)" $aciendo girar un imán permanente cerca de unabobina.

Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferenciade potencial eléctrica entre dos de sus puntos (llamados polos" terminales obornes) transformando la energía mecánica en eléctrica. &sta transformación

se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductoreseléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estator). i seproduce mecánicamente un movimiento relativo entre los conductores y elcampo" se generará una fuerza electromotriz (/.&.3.). &ste sistema está basadoen la ley de /araday.

+unque la corriente generada es corriente alterna" puede ser recticada para


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obtener una corriente continua. &n el diagrama ad%unto se observa la corrienteinducida en un generador simple de una sola fase. #a mayoría de losgeneradores de corriente alterna son de tres fases.

&l proceso inverso sería el realizado por un motor eléctrico" que transforma

energía eléctrica en mecánica.

4enerador en la central eléctrica de Pridal veil /alls" 2elluride" -olorado. etrataría del generador más antiguo que se mantiene en servicio (a=o :;9E) en&stados Unidos.Itros sistemas de generación de corrientes eléctricas

'o sólo es posible obtener una corriente eléctrica a partir de energía mecánicade rotación sino que es posible $acerlo con cualquier otro tipo de energía comopunto de partida. *esde este punto de vista más amplio" los generadores seclasican en dos tipos fundamentales!

7rimarios! -onvierten en energía eléctrica la energía de otra naturaleza quereciben o de la que disponen inicialmente" como alternadores" dinamos" etc.ecundarios! &ntregan una parte de la energía eléctrica que $an recibidopreviamente" es decir" en primer lugar reciben energía de una corrienteeléctrica y la almacenan en forma de alguna clase de energía. 7osteriormente"transforman nuevamente la energía almacenada en energía eléctrica. Une%emplo son las pilas o baterías recargables.e agruparán los dispositivos concretos conforme al proceso físico que les sirvede fundamento.

4eneradores primariose indican de modo esquemático la energía de partida y el proceso físico deconversión. e $a considerado en todos los casos conversiones directas deenergía. 7or e%emplo" el $idrógeno posee energía química y puede serconvertida directamente en una corriente eléctrica en una pila de combustible.

2ambién sería su combustión con oígeno para liberar energía térmica" quepodría epansionar un gas obteniendo así energía mecánica que $aría girar unalternador para" por inducción magnética" obtener nalmente la corrientedeseada.

&nergía de partida 7roceso físico que convierte dic$a energía en energíaeléctrica&nergía magnetoJmecánica on los más frecuentes y fueron tratados comogeneradores eléctricos genéricos.-orriente continua! *inamo-orriente alterna! +lternador&nergía química (sin intervención de campos magnéticos) -eldas


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electroquímicas y sus derivados! pilas eléctricas" baterías" pilas decombustible.5er sus diferencias en generadores electroquímicos.

0adiación electromagnética /otoelectricidad" como en el panel fotovoltaico

&nergía mecánica (sin intervención de campos magnéticos) 2riboelectricidad-uerpos frotados3áquinas electrostáticas" como el generador de 5an de 4raaW 7iezoelectricidad&nergía térmica (sin intervención de campos magnéticos) 2ermoelectricidad(efecto eebecA)&nergía nuclear (sin intervención de campos magnéticos) 4eneradortermoeléctrico de radioisótopos

4enerador termoeléctrico de radioisótopos de la sonda espacial -assini.&n la mayoría de los casos" el rendimiento de la transformación es tan ba%o quees preferible $acerlo en varias etapas. 7or e%emplo" convertir la energía nuclearen energía térmica" posteriormente en energía mecánica de un gas a granpresión que $ace girar una turbina a gran velocidad" para nalmente" porinducción electromagnética" obtener una corriente alterna en un alternador" elgenerador eléctrico más importante desde un punto de vista práctico comofuente de electricidad para casi todos los usos actuales.

3otor de corriente alterna

3otor -+ con ca%a de terminales eléctricos en la parte superior y salida de e%ede rotación a la izquierda.e denomina motor de corriente alterna a aquellos motores eléctricos quefuncionan con este tipo de alimentación eléctrica (ver Kcorriente alternaK). Unmotor es una máquina motriz" esto es" un aparato que convierte una formadeterminada de energía en energía mecánica de rotación o par. Un motor


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eléctrico convierte la energía eléctrica en fuerzas de giro por medio de laacción mutua de los campos magnéticos.

Un generador eléctrico" por otra parte" transforma energía mecánica derotación en energía eléctrica y se le puede llamar una máquina generatriz de

fem (fuerza eléctrica motriz). #as dos formas básicas son el generador decorriente continua y el generador de corriente alterna" este ltimo máscorrectamente llamado alternador.

2odos los generadores necesitan una máquina motriz (motor) de algn tipopara producir la fuerza de rotación" por medio de la cual un conductor puedecortar las líneas de fuerza magnéticas y producir una fem. #a máquina mássimple de los motores y generadores es el alternador.

Xndice3otores de corriente alterna3otores universales3otores asíncronos3otores síncronos3otores de %aula de ardilla5éase también3otores de corriente alterna &ditar

&n algunos de los casos" tales como barcos" donde la fuente principal deenergía es de corriente continua" o donde se desea un gran margen develocidades de giro" pueden emplearse motores de cJc. in embargo" la

mayoría de los motores modernos traba%an con fuentes de corriente alterna.&iste una gran variedad de motores de cJa" entre ellos tres tipos básicos! eluniversal" el síncrono y el de %aula de ardilla.

3otores universales &ditar#os motores universales traba%an con volta%es de corriente continua o corrientealterna. 2al motor" llamado universal" se utiliza en sierras eléctricas" taladros"utensilios de cocina" ventiladores" sopladores" batidoras y otras aplicacionesdonde se requiere gran velocidad de giro con cargas débiles o fuerzasresistentes peque=as. &stos motores para corriente alterna y directa"

incluyendo los universales" se distinguen por su conmutador devanado y lasescobillas. #os componentes de este motor son! #os campos (estator)" la masa(rotor)" las escobillas (los ecitadores) y las tapas (las cubiertas laterales delmotor). &l circuito eléctrico es muy simple" tiene solamente una vía para elpaso de la corriente" porque el circuito está conectado en serie. u potencial esmayor por tener mayor eibilidad en vencer la inercia cuando está en reposo"o sea" tiene un par de arranque ecelente" pero tiene una dicultad" y es queno está construido para su uso continuo o permanente (durante largos períodos


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de tiempo).

Itra dicultad de los motores universales son las emisiones electromagnéticas.#as c$ispas del colector (Kc$isporroteosK) %unto con su propio campo magnéticogeneran interferencias o ruido en el espacio radioeléctrico. &sto se puede

reducir por medio de los condensadores de paso" de ?"??: Y/ a ?"?: Y/"conectados de las escobillas a la carcasa del motor y conectando ésta a masa.&stos motores tienen la venta%a de que alcanzan grandes velocidades de giro"pero con poca fuerza. &isten también motores de corriente alterna trifásicaque funcionan a 89? 5 y a otras tensiones.

3otores asíncronos &ditar&l motor asíncrono trifásico está formado por un rotor" que puede ser de dostipos! de %aula de ardilla o bobinado, y un estátor" en el que se encuentran lasbobinas inductoras. &stas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí:L?O en el espacio. egn el 2eorema de /erraris" cuando por estas bobinascircula un sistema de corrientes trifásicas equilibradas" cuyo desfase en eltiempo es también de :L?O" se induce un campo magnético giratorio queenvuelve al rotor. &ste campo magnético variable va a inducir una tensión en elrotor segn la #ey de inducción de /araday!

&ntonces se da el efecto #aplace (o efecto motor)! todo conductor por el quecircula una corriente eléctrica" inmerso en un campo magnético eperimentauna fuerza que lo tiende a poner en movimiento. imultáneamente se da elefecto /araday (ó efecto generador)! en todo conductor que se mueva en elseno de un campo magnético se induce una tensión. &l campo magnético

giratorio" a velocidad de sincronismo" creado por el bobinado del estátor" cortalos conductores del rotor" por lo que se genera una fuerza electromotriz deinducción. #a acción mutua del campo giratorio y las corrientes eistentes enlos conductores del rotor" originan una fuerza electrodinámica sobre dic$osconductores del rotor" las cuales $acen girar el rotor del motor. #a diferenciaentre las velocidades del rotor y del campo magnético se denominadeslizamiento.

3otores síncronos &ditar*e acuerdo con estos principios" se puede utilizar un alternador como motor en

determinadas circunstancias" aunque si se ecita el campo con cJc y sealimenta por los anillos colectores a la bobina del rotor con cJa" la máquina noarrancará. &l campo alrededor de la bobina del rotor es alterno en polaridadmagnética pero durante un semiperiodo del ciclo completo" intentará moverseen una dirección y durante el siguiente semiperiodo en la dirección opuesta. &lresultado es que la máquina permanece parada. #a máquina solamente secalentará y posiblemente se quemará.


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7ara generar el campo magnético del rotor" se suministra una -- al devanadodel campo, esto se realiza frecuentemente por medio de una ecitatriz" la cualconsta de un peque=o generador de -- impulsado por el motor" conectadomecánicamente a él. e mencionó anteriormente que para obtener un parconstante en un motor eléctrico" es necesario mantener los campos

magnéticos del rotor y del estator constantes el uno con relación al otro. &stosignica que el campo que rota electromagnéticamente en el estator y elcampo que rota mecánicamente en el rotor se deben alinear todo el tiempo.

#a nica condición para que esto ocurra consiste en que ambos campos roten ala velocidad sincrónica!

&s decir" son motores de velocidad constante.

7ara una máquina sincrónica de polos no salientes (rotor cilíndrico)" el par sepuede escribir en términos de la corriente alterna del estator" " y de la corrientecontinua del rotor" !

donde es el ángulo entre los campos del estator y del rotor

&l rotor de un alternador de dos polos debe $acer una vuelta completa paraproducir un ciclo de cJa. *ebe girar


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más compactos y tienen un ncleo de $ierro laminado.

#os conductores longitudinales de la %aula de ardilla son de cobre y vansoldados a las piezas terminales de metal. -ada conductor forma una espiracon el conductor opuesto conectado por las dos piezas circulares de los

etremos. -uando este rotor está entre dos polos de camposelectromagnéticos que $an sido magnetizados por una corriente alterna" seinduce una fem en las espiras de la %aula de ardilla" una corriente muy grandelas recorre y se produce un fuerte campo que contrarresta al que $a producidola corriente (ley de #enz). +unque el rotor pueda contrarrestar el campo de lospolos estacionarios" no $ay razón para que se mueva en una dirección u otra yasí permanece parado. &s similar al motor síncrono el cual tampoco se arrancasolo. #o que se necesita es un campo rotatorio en lugar de un campo alterno.

-uando el campo se produce para que tenga un efecto rotatorio" el motor sellama de tipo de %aula de ardilla. Un motor de fase partida utiliza polos decampo adicionales que están alimentados por corrientes en distinta fase" loque permite a los dos %uegos de polos tener máimos de corriente y de camposmagnéticos con muy poca diferencia de tiempo. #os arrollamientos de los polosde campo de fases distintas" se deberían alimentar por cJa bifásicas y producirun campo magnético rotatorio" pero cuando se traba%a con una sola fase" lasegunda se consigue normalmente conectando un condensador (o resistencia)en serie con los arrollamientos de fases distintas.

-on ello se puede desplazar la fase en más de L?Z y producir un campomagnético máimo en el devanado desfasado que se adelanta sobre el campo

magnético del devanado principal.

&l desplazamiento real del máimo de intensidad del campo magnético desdeun polo al siguiente" atrae al rotor de %aula de ardilla con sus corrientes ycampos inducidos" $aciéndole girar. &sto $ace que el motor se arranque por símismo.

&l devanado de fase partida puede quedar en el circuito o puede serdesconectado por medio de un conmutador centrífugo que le desconectacuando el motor alcanza una velocidad predeterminada. Una vez que el motor

arranca" funciona me%or sin el devanado de fase partida. *e $ec$o" el rotor deun motor de inducción de fase partida siempre se desliza produciendo unpeque=o porcenta%e de reducción de la que sería la velocidad de sincronismo.

i la velocidad de sincronismo fuera :.9?? rpm" el rotor de %aula de ardilla" conuna cierta carga" podría girar a :.FG? rpm. -uanto más grande sea la carga enel motor" más se desliza el rotor. &n condiciones óptimas de funcionamiento unmotor de fase partida con los polos en fase desconectados" puede funcionar


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con un rendimiento aproimado del FG1.

Itro modo de producir un campo rotatorio en un motor" consiste en sombrearel campo magnético de los polos de campo. &sto se consigue $aciendo unaranura en los polos de campo y colocando un anillo de cobre alrededor de una

de las partes del polo.

3ientras la corriente en la bobina de campo está en la parte creciente de laalternancia" el campo magnético aumenta e induce una fem y una corriente enel anillo de cobre. &sto produce un campo magnético alrededor del anillo quecontrarresta el magnetismo en la parte del polo donde se $alla él.

&n este momento se tiene un campo magnético máimo en la parte de polo nosombreada y un mínimo en la parte sombreada. &n cuanto la corriente decampo alcanza un máimo" el campo magnético ya no varía y no se inducecorriente en el anillo de cobre. &ntonces se desarrolla un campo magnéticomáimo en todo el polo. 3ientras la corriente está decreciendo en amplitud elcampo disminuye y produce un campo máimo en la parte sombreada del polo.

*e esta forma el campo magnético máimo se desplaza de la parte nosombreada a la sombreada de los polos de campo mientras avanza el ciclo decorriente. &ste movimiento del máimo de campo produce en el motor elcampo rotatorio necesario para que el rotor de %aula de ardilla se arranque solo.&l rendimiento de los motores de polos de inducción sombreados no es alto"varía del 8? al G? por :??. Una de las principales venta%as de todos los motoresde %aula de ardilla" particularmente en aplicaciones de radio" es la falta de

colector o de anillos colectores y escobillas. &sto asegura el funcionamientolibre de interferencias cuando se utilizan tales motores. &stos motores tambiénson utilizados en la industria. &l mantenimiento que se $ace a estos motores esfácil.

Una Máquina Eléctrica (1)

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