INGENIERIA Y CIENCIA
UN PASADO VIVO
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Máquina eléctrica Se entiende por máquina eléctrica al conjunto de dispositivos o mecanismos capaces de generar, transformar y aprovechar la energía eléctrica para producir un trabajo. Desde una visión mecánica, las máquinas eléctricas se pueden clasificar en rotativas y estáticas. Las máquinas rotativas están provistas de partes giratorias, como las dinamos, alternadores, motores. Las máquinas estáticas no disponen de partes móviles, como los transformadores. En las máquinas rotativas hay una parte fija llamada estator y una parte móvil llamada rotor. Normalmente el rotor gira en el interior del estator. Al espacio de aire existente entre ambos se le denomina entrehierro. Los motores y generadores eléctricos son el ejemplo más simple de una maquina rotativa. Si la máquina convierte energía mecánica en energía eléctrica se llama generador, mientras que si convierte energía eléctrica en energía mecánica se denomina motor. Esta relación se conoce como principio de conservación de la energía electromecánica. Este tipo de máquinas eléctricas que actúan como generador lo encontramos en los grandes centros de Generación eléctrica (hidroeléctrica), donde se transforma la energía potencial almacenada en un embalse donde se ha acumulado agua para hacerla circular con el objeto de mover una turbina que finalmente mueve el rotor del Generador, que convierte esta energía cinética (movimiento) en energía eléctrica. Los motores transforman energía eléctrica en movimiento o trabajo mecánico, a través de medios electromagnéticos. Fundamentos de operación de los motores eléctricos Un motor para funcionar se vale de las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos. De acuerdo con esto, todo motor tiene que estar formado con polos alternados entre el estator y el rotor, ya que los polos magnéticos iguales se repelen, y polos magnéticos diferentes se atraen, produciendo así el movimiento de rotación. En la figura 1 se muestra como se produce el movimiento de rotación en un motor eléctrico. Un motor eléctrico opera primordialmente con base en dos principios: El de inducción, descubierto por Michael Faraday en 1831; que señala, que si un conductor se mueve a través de un campo magnético o está situado en las proximidades de otro conductor por el que circula una corriente de intensidad variable, se induce una corriente eléctrica en el primer conductor. Y el principio que André Ampére observo en 1820, en el que establece: que si una corriente pasa a través de un conductor situado en el interior de un campo magnético, éste ejerce una fuerza mecánica o f.e.m. (fuerza electromotriz), sobre el conductor. Partes fundamentales de un motor eléctrico La constitución de toda máquina eléctrica rotativa (tanto de c.c. como de c.a.) es muy similar. A continuación se describirán las partes más relevantes de toda máquina eléctrica rotativa, lo cual nos permitirá conocer tanto sus limitaciones como sus aplicaciones más adecuadas. Toda máquina eléctrica rotativa consta de los siguientes elementos básicos, representados en la Figura 2. • Estator o Inductor. • Rotor o Inducido. • Culata o carcasa. • Base • Caja de conexiones • Tapas • Cojinetes Estator o inductor El estator es el elemento que opera como base, permitiendo que desde ese punto se lleve a cabo la rotación del motor. El estator no se mueve mecánicamente, pero si magnéticamente. Existen dos tipos de estatores. El estator está constituido principalmente de un conjunto de láminas de acero al silicio (y se les llama “paquete”), que tienen la habilidad de permitir que pase a través de ellas el flujo magnético con facilidad; la parte metálica del estator y los devanados proveen los polos magnéticos. Los polos de un motor siempre son pares (pueden ser 2, 4, 6, 8, 10, etc.,), por ello el mínimo de polos que puede tener un motor para funcionar es dos (un norte y un sur). Rotor o inducido El rotor es el elemento de transferencia mecánica, ya que de él depende la conversión de energía eléctrica a mecánica. Los rotores, son un conjunto de láminas de acero al silicio que forman un paquete, y pueden ser básicamente de tres tipos [figura 4]: • Rotor ranurado • Rotor de polos salientes • Rotor jaula de ardilla Culata o carcasa La carcasa es la parte que protege y cubre al estator y al rotor, el material empleado para su fabricación depende del tipo de motor, de su diseño y su aplicación. Así pues, la carcasa puede ser: • Totalmente cerrada • Abierta • A prueba de goteo • A prueba de explosiones • De tipo sumergible Base La base es el elemento en donde se soporta toda la fuerza mecánica de operación del motor, puede ser de dos tipos: • Base frontal • Base lateral Caja de conexiones Por lo general, en la mayoría de los casos los motores eléctricos cuentan con caja de conexiones. La caja de conexiones es un elemento que protege a los conductores que alimentan al motor, resguardándolos de la operación mecánica del mismo, y contra cualquier elemento que pudiera dañarlos. Tapas Son los elementos que van a sostener en la gran mayoría de los casos a los cojinetes o rodamientos que soportan la acción del rotor. Cojinetes También conocidos como rodamientos, contribuyen a la óptima operación de las partes giratorias del motor. Se utilizan para sostener y fijar ejes mecánicos, y para reducir la fricción, lo que contribuye a lograr que se consuma menos potencia. Los cojinetes pueden dividirse en dos clases generales: Cojinetes de deslizamiento Operan el base al principio de la película de aceite, esto es, que existe una delgada capa de lubricante entre la barra del eje y la superficie de apoyo. Alimentación eléctrica Cojinetes de rodamiento. Se utilizan con preferencia en vez de los cojinetes de deslizamiento por varias razones: • Tienen un menor coeficiente de fricción, especialmente en el arranque. • Son compactos en su diseño • Tienen una alta precisión de operación. • No se desgastan tanto como los cojinetes de tipo deslizante. • Se remplazan fácilmente debido a sus tamaños estándares . Escobillas: Generalmente, se fabrican de carbón o de grafito, se hallan alojadas en un portaescobillas desde donde se deslizan sobre las delgas del colector y, mediante un conductor flexible, se unen a los bornes del inducido. Entrehierro: Se denomina entrehierro al espacio existente entre la parte fija y la parte móvil de la máquina, es decir, entre el rotor y las expansiones polares, evitándose de esta manera el rozamiento entre ambos. Clasificación de las máquinas eléctricas Debido a que son muchos y variados los tipos de motores eléctricos, existen numerosas formas de catalogarlos. A continuación se muestran algunas de las formas más usuales: 1Clasificación según su alimentación eléctrica Tipos y características de los motores
Clasificación según su alimentación eléctrica Existen básicamente tres tipos de motores eléctricos: Los Motores de Corriente Directa [C.D.] o Corriente Continua [C.C.]. Se utilizan en casos en los que es importante el poder regular continuamente la velocidad del motor, además, se utilizan en aquellos casos en los que es imprescindible utilizar corriente directa, como es el caso de motores accionados por pilas o baterías. Este tipo de motores debe tener en el rotor y el estator el mismo número de polos y el mismo número de carbones. Los motores de corriente directa pueden ser de tres tipos: Serie • Paralelo • Mixto Los Motores de Corriente Alterna [C.A.]. Son los tipos de motores más usados en la industria, ya que estos equipos se alimentan con los sistemas de distribución de energías que suministran las empresas de energía. De acuerdo a su alimentación se dividen en tres tipos: • Monofásicos (1 fase) • Bifásicos (2 fases) • Trifásicos (3 fases) Los Motores Universales. Tienen la forma de un motor de corriente continua, su principal característica es que está diseñado para funcionar, tanto con corriente alterna como con corriente continua. El inconveniente de este tipo de motores es su eficiencia, ya que es baja (del orden del 51%), pero como se utilizan en maquinas de pequeña potencia, ésta no se considera importante, además, su operación debe ser intermitente, de lo contrario, éste se quemaría. Estos motores son utilizados en taladros, aspiradoras, licuadoras, etc.
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