Fundamentos de Máquinas Eléctricas: Generadores, Motores y Transformadores

Máquinas Eléctricas

Clasificación

Una máquina eléctrica es un dispositivo capaz de convertir energía mecánica en energía eléctrica, o viceversa, o de transformar las características de la energía eléctrica. Se clasifican principalmente en dos grandes grupos:

• Máquinas estáticas: No poseen partes móviles. El ejemplo principal son los transformadores, que modifican los niveles de tensión e intensidad de la corriente alterna (C.A.).
• Máquinas rotativas: Cuentan con una parte fija y una parte móvil que gira sobre un eje. Se subdividen en:
  • Generadores: Transforman energía mecánica (E.M.) en energía eléctrica (E.E.).
  • Motores: Transforman energía eléctrica (E.E.) en energía mecánica (E.M.).

Principios de Funcionamiento

Toda máquina eléctrica consta fundamentalmente de un circuito magnético y, al menos, dos circuitos eléctricos.

Es importante destacar que todas las máquinas rotativas son reversibles, es decir, pueden funcionar tanto como generadores como motores.

Generadores Eléctricos

Los generadores se clasifican según el tipo de corriente que producen:

• Dinamo: Genera corriente continua (C.C.).
• Alternador: Genera corriente alterna (C.A.).

Partes Fundamentales de una Máquina Rotativa

Las máquinas rotativas comparten una estructura básica:

• Estator: Es la parte fija de la máquina.
• Rotor: Es la parte móvil que gira dentro del estator.
• Entrerriego: Es el pequeño espacio de aire que separa el rotor del estator.

Componentes de un Generador

• Estator (Inducido): Generalmente, aloja el devanado inducido, donde se genera la tensión eléctrica por la acción del campo magnético creado por el inductor.
• Rotor (Inductor): Es la parte giratoria y suele contener el sistema inductor, encargado de crear el campo magnético.
• Polos magnéticos: Son electroimanes formados por un núcleo y una expansión polar. Crean el campo magnético principal.
• Escobillas y Colector: Las escobillas son piezas fijas que, mediante frotamiento con el colector (un conjunto de delgas giratorias en el rotor), mantienen el contacto eléctrico. En las dinamos, este sistema permite extraer la corriente generada y convertirla en corriente continua antes de enviarla a la caja de bornes.

El Alternador

Un alternador es una máquina eléctrica rotativa que transforma energía mecánica en energía eléctrica en forma de corriente alterna (C.A.).

Funcionamiento Básico

En un alternador típico, el rotor aloja el sistema inductor y el estator el sistema inducido. El proceso de generación es el siguiente:

1. Se alimenta el devanado del rotor (inductor) con corriente continua para crear un campo magnético.
2. Al hacer girar el rotor, este campo magnético se vuelve giratorio desde la perspectiva del estator.
3. Este campo magnético variable induce una tensión alterna en los devanados del estator (inducido).

En aplicaciones como los vehículos, el alternador está diseñado para recargar una o más baterías y, simultáneamente, alimentar todo el sistema eléctrico.

Elementos Auxiliares del Alternador

• Regulador de tensión: Se encarga de mantener la tensión de salida del alternador en un valor constante y predefinido.
• Puente rectificador de diodos: Convierte la corriente alterna (C.A.) generada en el estator en corriente continua (C.C.), necesaria para cargar la batería y alimentar otros sistemas.

Conexión de Bobinados

Los devanados trifásicos del estator se pueden conectar de dos maneras principales: en estrella o en triángulo.

Pérdidas y Rendimiento en Generadores

Todo generador presenta pérdidas de energía durante su funcionamiento. Se definen dos tipos de potencia:

• Potencia útil: Es la potencia eléctrica que el generador entrega en sus bornes de salida.
• Potencia total (o absorbida): Es la potencia mecánica que se le suministra en el eje para hacerlo girar.

Las pérdidas más significativas se clasifican en:

• Pérdidas mecánicas: Originadas por el rozamiento en las partes móviles (cojinetes, escobillas) y por la ventilación.
• Pérdidas eléctricas (o en el cobre): Producidas por el efecto Joule (calentamiento) en los devanados y conexiones eléctricas.
• Pérdidas en el hierro (o magnéticas): Se deben a fenómenos como la histéresis y las corrientes de Foucault en el núcleo magnético.

Máquinas Motrices para Alternadores

Los alternadores necesitan una máquina motriz acoplada a su eje que les proporcione la energía mecánica rotacional. Algunos ejemplos son:

• Turbinas de vapor: Suelen operar a velocidades de giro elevadas.
• Motores de combustión interna: Operan en un rango de velocidades intermedio.
• Turbinas hidráulicas: Su velocidad de funcionamiento varía mucho según el diseño, desde velocidades bajas hasta altas.

Motores Eléctricos

Un motor eléctrico es una máquina rotativa que convierte energía eléctrica (E.E.) en energía mecánica (E.M.). Gracias al principio de reversibilidad, también puede funcionar como generador. En un motor, la configuración típica es que el estator actúe como inductor y el rotor como inducido.

Motores de Corriente Continua (C.C.)

Estos motores transforman la energía eléctrica de corriente continua en energía mecánica. El colector juega un papel crucial al invertir el sentido de la corriente en las espiras del rotor, asegurando que el par motor sea continuo y en la misma dirección.

Existe una relación inversa entre la velocidad y el par motor: a mayor velocidad de giro, menor es el par (fuerza de torsión) que puede entregar, y viceversa.

Motores de Corriente Alterna (C.A.)

Convierten la energía eléctrica de corriente alterna en energía mecánica. Se dividen principalmente en monofásicos y trifásicos. La conexión eléctrica del motor a la red se realiza a través de la caja de bornes.

Otros Tipos de Motores

• Motores universales: Pueden funcionar tanto con corriente continua como con corriente alterna.
• Motores paso a paso: Son motores de precisión que giran en ángulos fijos (pasos).

Balance Energético y Carga del Motor

La potencia nominal de una máquina eléctrica es la potencia máxima que puede entregar de forma continua sin sobrepasar su temperatura límite. Cuando una máquina trabaja a su potencia nominal, se dice que opera a plena carga. Si se le exige una potencia superior, entra en un estado de sobrecarga.

Nota: La velocidad angular de un motor se mide en revoluciones por minuto (r.p.m.) con un instrumento llamado tacómetro.

Transformadores

Un transformador es una máquina eléctrica estática que transfiere energía de un circuito a otro, modificando los niveles de tensión e intensidad de la corriente alterna (C.A.), pero manteniendo siempre la misma frecuencia.

Componentes de un Transformador

• Núcleo magnético: Fabricado con material ferromagnético, forma un circuito magnético cerrado.
• Devanado primario: Es la bobina a la que se le aplica la tensión de entrada.
• Devanado secundario: Es la bobina de la cual se obtiene la tensión de salida transformada.

En un transformador estándar, no existe conexión eléctrica directa entre el devanado primario y el secundario; están aislados entre sí por un barniz.

Tipos de Transformadores

• Transformador elevador: La tensión de salida es mayor que la de entrada (V_salida / V_entrada > 1).
• Transformador reductor: La tensión de salida es menor que la de entrada (V_salida / V_entrada < 1).

Autotransformador

Un autotransformador es un tipo especial de transformador que tiene un único devanado que actúa a la vez como primario y secundario. Por lo tanto, no existe aislamiento eléctrico entre ambos circuitos.