Máquina Eléctrica, Tipos, Componentes, Ejemplos, Aplicaciones

La máquina eléctrica es el resultado de aplicar apropiadamente los principios del electromagnetismo y haciendo un uso especial de la ley de inducción de Faraday. Una máquina está formada por circuitos eléctricos y magnéticos entrelazados.

Su aplicación influyó para poder lograr todo el movimiento de la energía eléctrica, como lo es su generación, transmisión, distribución y utilización en los hogares, gran importancia que se dio a través de todo su desarrollo histórico.

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    ¿Qué es una máquina eléctrica?

    Es un dispositivo que permite convertir energía mecánica en energía eléctrica o energía eléctrica en energía mecánica, también para convertir energía eléctrica de un nivel de c.a. a otro nivel de c.a. requerido, cuando se utiliza para transformar energía mecánica en energía eléctrica se llama generador, cuando se utiliza para convertir energía eléctrica en energía mecánica se denomina motor, y cuando se utiliza para transformar energía eléctrica ca de unas magnitudes a otra, simplemente se llama transformador. Puede ser utilizada en ambos modos bien sea como generador o como motor, dependiendo de su objetivo, puesto que puede convertir energía mecánica a eléctrica o viceversa.

    Máquina eléctrica: Tipos

    La máquina eléctrica se puede clasificar en tres grandes grupos: generador, motor y transformador.

    Generador:

    Transforma la energía mecánica en eléctrica, funciona de la siguiente manera:

    Cuando una bobina se encuentra dentro de un campo magnético externo, se hace girar la bobina dando lugar a una fuerza electromotriz (f.e.m.) inducida que hace que se genere una corriente en la bobina que está girando, al ocurrir esto, la corriente en la misma bobina produce un campo magnético que a su vez interacciona con el campo exterior, resultando una fuerza mecánica que va en contra del movimiento.

    Motor:

    Transforma la energía eléctrica en mecánica, funciona de la siguiente manera:

    Cuando se introduce una corriente en la bobina que está en presencia de un campo, la corriente genera un campo que interacciona con el campo en el cual la bobina está sumergida, produciendo así un movimiento en la máquina eléctrica, al ocurrir esto, aparece una fuerza electromotriz (f.e.m.) que es inducida en la bobina oponiéndose esta fuerza a la corriente y por tal motivo recibe el nombre de fuerza contra electromotriz. Por lo tanto, con una energía eléctrica apropiada que se le introduce al motor, se puede generar el movimiento del motor requerido.

    Transformador:

    El transformador convierte la energía eléctrica c.a. de entrada, de un nivel determinado de voltaje y corriente a una energía eléctrica c.a. de salida, de unos niveles de voltaje y corriente específicos, requeridos para su utilización.

    Los motores y generadores tienen un acceso mecánico y por esta razón son máquinas que permiten el movimiento; en cambio, los transformadores son máquinas eléctricas estáticas porque solo es posible acceder a ellos eléctricamente.

    El generador, el motor y el transformador son máquinas eléctricas altamente encontradas en la vida cotidiana, como por ejemplo: El hogar, los motores eléctricos hacen funcionar a los refrigeradores, congeladores, aspiradoras, batidoras, equipos de aire acondicionado, ventiladores y muchos otros artefactos parecidos.

    En los talleres los motores suministran la fuerza motriz para la mayoría de las herramientas. Por consiguiente, estos motores necesitan energía eléctrica y se la suministran los generadores.

    Componentes básicos de las máquinas eléctricas

    La máquina eléctrica básicamente consta de dos componentes, se puede observar en la figura 1. Existe un componente estático o que no se mueve llamado estator y otro componente giratorio denominado rotor, el estator es de forma cilíndrica, en una máquina eléctrica de gran velocidad dicho cilindro es largo en comparación con su diámetro pero en una máquina eléctrica de pequeña velocidad es corto, por otra parte el rotor, al ser giratorio esta ubicado encima de un eje que se encuentra unido a dos rodamientos, que a su vez, forman un conjunto con las tapas que están sujetas a la carcasa del estator.

    Máquina eléctrica
    Figura 1

    Hay un espacio de aire entre el rotor y el estator que no deja que estén unidos, esto es lo que permite el giro del rotor, ya que sin este espacio no podría girar la máquina, a este espacio se le conoce como entrehierro.

    En la mayoría de los casos en el estator y en el rotor hay devanados que son construidos con conductores de cobre que permiten el paso de corriente eléctrica hacia o desde un sistema eléctrico.

    El objetivo de uno de los devanados es crear un flujo en el entrehierro, denominándose por esta razón inductor, mientras que el otro devanado recibe el flujo del primero y se inducen en el, corrientes que terminan en el circuito externo denominándose así inducido.

    En una máquina eléctrica cualquiera, los dos, tanto el estator como el rotor pueden ser considerados, como inductor o inducido, en cada caso.

    No es un secreto el hecho de que todos los dispositivos tienen una pérdida de energía, y ese también es el caso de una máquina eléctrica y para evitar o disminuir estas pérdidas, el rotor y el estator se construyen con material ferromagnético y además usualmente se le agregan chapas de acero al silicio para mejorar el rendimiento de estas máquinas.

    Máquina eléctrica
    Figura 2

    Tenemos las siguientes configuraciones físicas de una máquina eléctrica, como se puede observar en la figura 3. En a) tenemos una configuración de rotor y estator cilíndrico o de polos no salientes, por el contrario, en b) y c) los polos son salientes como se puede observar en la figura, en a) el entrehierro es uniforme, obsérvese que la separación entre el estator y el rotor no cambia, esta forma se encuentra en las máquinas asincrónicas, b) y c) presentan los cuernos polares, b) se usa en las máquinas sincrónicas y c) en las máquinas de corriente continua (c.c.).

    Máquina eléctrica
    Figura 3

    Máquina eléctrica síncrona

    A continuación se presentan los tipos de máquinas síncronas:

    Generador síncrono:

    En un generador síncrono el rotor es el inductor, en el se coloca un imán permanente o un electroimán con la ayuda de devanados de bobinas al aplicarle una corriente directa, inmediatamente el rotor gira por un motor primario, produciendo un campo magnético giratorio dentro de la máquina, el campo magnético giratorio induce corrientes en el estator, por eso el estator es el inducido de este generador.

    En una máquina síncrona hay dos conceptos importantes que se deben tener en cuenta, el devanado de campo y el devanado del inducido, aquí el devanado de campo es el responsable de generar una fuerza electromotriz en el devanado del inducido y por eso se puede llamar indistintamente devanado de campo o devanado inductor, además que en este tipo de máquinas el rotor es el inductor, por lo tanto, también se le puede decir devanado del rotor, mientras que el devanado del inducido es donde se generan las corrientes inducidas, y en estas máquinas esto ocurre en el estator, por lo tanto, se le puede llamar indistintamente devanado del inducido o devanado del estator.

    Motor síncrono:

    En el motor síncrono se introduce una corriente de campo If que se le dice así, porque es la responsable de generar un campo Br. En el estator de la máquina se aplica un voltaje trifásico, que producirá una corriente trifásica en los devanados e inmediatamente un campo Bs uniforme en donde el campo magnético del rotor tenderá a alinearse con el campo magnético del estator, en conclusión el giro de la máquina es posible, gracias al torque que existe entre los dos campos.

    Máquina eléctrica asíncrona o de inducción

    La diferencia que tiene este tipo de máquina eléctrica con el resto, es que en uno de los devanados (generalmente el rotor) se genera un voltaje, una corriente, y un campo que son inducidos por la fuerza electromotriz (f.e.m) y el flujo del otro devanado que está en el estator, por esto se llaman máquinas de inducción, y no es necesario que circule una corriente de campo que se le agregue a uno de los devanados de forma externa ya que el simplemente por su diseño, como se dijo, no necesita ningún tipo de corriente en el rotor para funcionar.

    También es asíncrona, porque la frecuencia a la que opera esta máquina eléctrica (velocidad de giro del rotor) es diferente a la velocidad de sincronismo impuesta por la frecuencia de la red.

    Funcionamiento básico:

    Los motores de inducción cuentan con un devanado en el rotor llamado jaula de ardilla y es como se muestra en la imagen siguiente.

    Máquina eléctrica
    Figura 4

     

    Al estator se le aplica un voltaje que es el encargado de crear las corrientes que dan lugar a un campo magnético giratorio que es la primera secuencia de acciones que son necesarias para que el motor comience a funcionar.

    El campo magnético giratorio pasa por las barras del rotor generando un voltaje inducido en cada una de ellas, esto lo describe la ecuación básica de la tensión inducida que se genera en un conductor de longitud L que se mueve a una velocidad v en presencia de un campo B.

    La corriente producida en las barras del rotor por la tensión inducida produce un campo magnético BR que interacciona con el campo magnético giratorio del estator Bs produciendo un par o torque entre estos llamado par inducido Tind = k BR x BS.

    El par inducido tiene un sentido que va en contra de las agujas del reloj, por lo tanto, el rotor acelera en la misma dirección.

    En esta máquina si la velocidad del rotor sería la misma que la del campo Bs, no habría un campo magnético Br que interaccione con el campo magnético Bs y el par inducido sería cero, como resultado de esto, la velocidad del rotor disminuiría (recordemos que estábamos hablando que este sería un caso en que la velocidad del rotor sería igual a la velocidad de sincronismo de Bs que es la impuesta por la frecuencia de la red), por lo tanto, un motor de inducción puede acelerar hasta llegar cerca de la velocidad de sincronismo, pero nunca ser exactamente a ella.

    Máquina eléctrica de corriente continua

    Una máquina eléctrica de corriente continua puede ser un generador que transforma energía mecánica en energía eléctrica o un motor que transforma energía eléctrica en energía mecánica. Las máquinas de c.c. (corriente continua) tienen una gran importancia histórica debido a su utilización como generadores en el primer intento para producir energía eléctrica a gran escala.

    Este tipo de máquinas se usan mayormente como motor, su ventaja frente a los motores de c.a. se debe a su facilidad de controlar la velocidad y el par, utilizándose en diversos accionamientos industriales: trenes de laminación, telares, tracción eléctrica. Sin embargo, actualmente debido a las mejoras en la electrónica de potencia, su aplicación en estos casos se ha ido reduciendo.

    Aplicaciones de las máquinas eléctricas

    Una bomba de agua de uso doméstico es un ejemplo de aplicación de un motor eléctrico, el cual es una máquina eléctrica, su energía de entrada (energía eléctrica) es tomada de la red a través de la toma de corriente y su energía de salida (energía mecánica) es la que permite impulsar el agua hacia el lugar determinado y requerido, transformando la energía eléctrica y aplicándola para mover el agua.

    Bomba de agua
    Figura 5

    Aplicaciones del motor eléctrico también podrían ser sopladores, ventiladores, turbinas, herramientas eléctricas, alternadores, compresores, barcos, motores, molinos de papel.

    Una central hidroeléctrica se vale de generadores que aprovechan la energía potencial del agua para producir energía eléctrica, esto lo hace una de las centrales eléctricas más grandes del mundo ubicada en Venezuela, es la Central Hidroeléctrica “Simón Bolívar”, transforma la energía mecánica almacenada en el agua en energía eléctrica para uso residencial, industrial, entre otros.

    Central hidroeléctrica
    Figura 6

    EL transformador es otro ejemplo de aplicación de una máquina eléctrica, como ya se dijo son máquinas estáticas, esto quiere decir que son puramente utilizadas para transformar energía eléctrica, abarca un gran número de aplicaciones como el caso de transformadores de subestación para abastecer de energía eléctrica a un nivel apropiado a comercios e industrias.

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