Potencia, Pérdidas y Características de las Máquinas Eléctricas

Potencia en Máquinas Eléctricas

Potencia: La potencia de una máquina eléctrica es la energía que desarrolla por unidad de tiempo. Depende de una serie de condiciones externas:

• La potencia eléctrica instantánea que suministra un generador dependerá del circuito al que alimenta.
• La potencia mecánica instantánea suministrada por un motor vendrá condicionada por la resistencia que ofrezcan los mecanismos accionados por dicho motor.

Por lo tanto, una máquina eléctrica puede funcionar con valores variables de la potencia útil. La potencia nominal es el valor de potencia que caracteriza a la máquina. También son importantes la tensión, la corriente, el par, la velocidad... cuyos valores determinan las condiciones de trabajo. Este régimen de marcha nominal aparece indicado en la placa de características. Si la máquina eléctrica trabaja a la potencia nominal, se dice que está funcionando a plena carga.

Pérdidas en Máquinas Eléctricas

Pérdidas: En toda máquina eléctrica, parte de la energía absorbida se convierte en calor. Por ese motivo, la potencia útil de una máquina es siempre menor que la potencia absorbida. Estas pérdidas de potencia, inevitables, pero que deben minimizarse en lo posible, se pueden clasificar de la siguiente manera:

• Pérdidas en los conductores que constituyen los circuitos eléctricos. Como generalmente son de cobre, se suelen denominar pérdidas en el cobre.
• Pérdidas en el hierro del circuito magnético.
• Pérdidas mecánicas, debidas a los rozamientos y a la ventilación.

Pérdidas en el Cobre

Se deben al efecto Joule. Al circular la corriente, la energía eléctrica se convierte en calor, a causa de los continuos choques de los electrones contra los iones metálicos del conductor, produciéndose un intercambio de energía cinética entre unos y otros, lo que se traduce en un aumento de temperatura del conductor. Se deduce de forma teórica y se ha comprobado experimentalmente que, a temperatura constante, la resistencia de un conductor:

• Es directamente proporcional a su longitud, L.
• Es inversamente proporcional a su sección, S.
• Depende de la naturaleza del conductor.

Pérdidas en el Hierro

• Pérdidas por histéresis (tendencia de un material a conservar una de sus propiedades, en ausencia del estímulo que la ha generado), que representan la energía que se pierde en calor a causa de la magnetización cíclica del hierro.
• Pérdidas por corrientes parásitas o de Foucault, debidas a las corrientes inducidas en el hierro. De acuerdo con la ley de Lenz, el sentido de estas corrientes es opuesto a la causa que las produce; es decir, al movimiento relativo de la masa de hierro respecto del campo magnético. De esta manera se crea un par resistente que debe ser vencido por el motor que hace girar la masa de hierro.

Para minimizar la potencia perdida por histéresis se debe emplear chapa magnética de calidad (hierro al silicio) y para reducir las pérdidas por corrientes parásitas las partes de hierro de las máquinas eléctricas se construyen de chapas delgadas, convenientemente aisladas entre sí.

Pérdidas Mecánicas

• Pérdidas por rozamiento en los cojinetes. Tipo de cojinetes, engrase...
• Pérdidas por rozamiento en las escobillas. Se deben al contacto de las escobillas con los anillos o con el colector. Depende del valor del coeficiente de rozamiento.
• Pérdidas por rozamiento con el aire y por ventilación. Crecen al aumentar la velocidad de rotación de las partes giratorias.

Por todas estas pérdidas, que producen calor, es necesario refrigerar. La cantidad de aire que debe proporcionar el ventilador de una máquina eléctrica para limitar su calentamiento debe estar relacionada con las pérdidas. Si hay exceso de aire, la demanda de potencia absorbida por el ventilador es muy elevada, con lo que el rendimiento disminuye. Un defecto de aire provocará que la refrigeración sea insuficiente y la máquina se calentará demasiado.

Características Par-Velocidad de un Motor

Cada una de las fuerzas que hacen girar al rotor de la máquina determina su correspondiente momento y, dado que todas las fuerzas deben ejercer su acción en el mismo sentido, el momento de rotación de la máquina vendrá dado por la suma de todos esos momentos individuales.

• Si se trata de un generador, el momento de rotación de la máquina se opone al movimiento de arrastre del eje que lo acciona: momento resistente o par resistente del generado.
• Si se trata de un motor, el momento de rotación determina el giro del motor: par motor.

La velocidad de funcionamiento viene fijada por el punto para el cual el par que el motor puede suministrar electromagnéticamente es igual al par resistente que la carga necesita para su funcionamiento. Por eso, para seleccionar un motor adecuado para una determinada aplicación, es necesario conocer su característica par-velocidad.

En el funcionamiento de un motor con su carga, teniendo en cuenta la variación de velocidad, se pueden distinguir tres fases sucesivas:

1. Arranque o puesta en marcha. Instante de conexión del motor a la red eléctrica. Para que el motor arranque se tiene que vencer la resistencia que ofrecen los rozamientos y la inercia de las partes móviles. El momento de rotación del motor en este instante recibe el nombre de par de arranque. Corresponde a la ordenada en el origen de la característica par-velocidad del motor.
2. Aceleración. Es el período que sigue a la puesta en marcha, hasta que el rotor alcanza la velocidad nominal. En esta fase se le suele exigir al motor el máximo par que es capaz de suministrar.
3. Régimen nominal. El motor alcanza su marcha de régimen permanente cuando su velocidad bajo la carga nominal se mantiene constante. En estas condiciones de marcha nominal el par motor desarrollado es igual al par resistente de la carga, con lo que el sistema motor-carga se encuentra funcionando en el punto P, en el que se cumple: M_i=M_r donde M_i es el par motor desarrollado y M_r es el par resistente de la carga.

Protecciones de Máquinas Eléctricas

Según la protección de que dispongan, las máquinas eléctricas se clasifican en distintas categorías:

• Abiertas. No disponen de ninguna protección especial —salvo un buen diseño de las partes mecánicas, como carcasa y soportes.
• Protegidas contra goteo. Se protegen los bobinados y órganos interiores, de manera que se impida la entrada de agua u otro líquido que caiga verticalmente.
• Protegidas contra goteo y salpicaduras. Impiden la penetración de cuerpos sólidos y la entrada de agua y otros líquidos.
• Cerradas. La construcción impide el intercambio de aire entre el interior y el exterior. Protege los bobinados y los órganos interiores frente a la entrada de agua o de otro líquido distinto proyectado en cualquier dirección. No obstante, no son máquinas totalmente herméticas.
• Antiexplosivas. Se diseñan de manera que puedan trabajar en ambientes cargados de gases o polvos inflamables. Son totalmente cerradas y, además, evitan la propagación al exterior de posibles explosiones producidas en el interior de las máquinas.

El grado de protección de las máquinas eléctricas viene establecido por el código IP