UNA MQUINA ELCTRICA (UN MOTOR ELCTRICO)

Una mquina elctrica es un dispositivo capaz de transformar cualquier forma de energa en energa elctrica o a la inversa y tambin se incluyen en esta definicin las mquinas que transforman la electricidad en la misma forma de energa pero con una presentacin distinta ms conveniente a su transporte o utilizacin. Se clasifican en tres grandes grupos: generadores, motores y transformadores.

Los generadores transforman energa mecnica en elctrica, mientras que los motores transforman la energa elctrica en mecnica haciendo girar un eje. El motor se puede clasificar en motor de corriente continua o motor de corriente alterna. Los transformadores y convertidores conservan la forma de la energa pero transforman sus caractersticas.

Una mquina elctrica tiene un circuito magntico y dos circuitos elctricos. Normalmente uno de los circuitos elctricos se llama excitacin, porque al ser recorrido por una corriente elctrica produce los amperio vueltas necesarios para crear el flujo establecido en el conjunto de la mquina.

Desde una visin mecnica, las mquinas elctricas se pueden clasificar en rotativas y estticas. Las mquinas rotativas estn provistas de partes giratorias, como los dinamos, alternadores, motores. Las mquinas estticas no disponen de partes mviles, como los transformadores.

En las mquinas rotativas hay una parte fija llamada estator y una parte mvil 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 elctricos son el ejemplo ms simple de una mquina rotativa.

POTENCIA DE MQUINAS ELCTRICAS

La potencia de una mquina elctrica es la energa desarrollada en la unidad de tiempo. La potencia de un motor es la que se suministra por su eje. Un dinamo absorbe energa mecnica y suministra energa elctrica, y un motor absorbe energa elctrica y suministra energa mecnica.

La potencia que da una mquina en un instante determinado depende de las condiciones externas a ella; en un dinamo del circuito exterior de utilizacin y en un motor de la resistencia mecnica de los mecanismos que mueve.

Entre todos los valores de potencia posibles hay uno que da las caractersticas de la mquina, es la potencia nominal, que se define como la que puede suministrar sin que la temperatura llegue a los lmites admitidos por los materiales aislantes empleados. Cuando la mquina trabaja en esta potencia se dice que est a plena carga. Cuando una mquina trabaja durante breves instantes a una potencia superior a la nominal se dice que est trabajando en sobrecarga.

Se clasifican en tres grandes grupos: generadores, motores y transformadores.

Clasificacin segn el servicio

Es importante conocer la clase de servicio a la que estar sometida una mquina:

Servicio continuo: Corresponde a una carga constante durante un tiempo suficientemente largo como para que la temperatura llegue a estabilizarse.Servicio continuo variable: Se da en mquinas que trabajan constantemente pero en las que el rgimen de carga vara de un momento a otro.Servicio intermitente: Los tiempos de trabajo estn separados por tiempos de reposo. Factor de marcha es la relacin entre el tiempo de trabajo y la duracin total del ciclo de trabajo.Servicio un horario: La mquina est una hora en marcha a un rgimen constante superior al continuo, pero no llega a alcanzar la temperatura que ponga en peligro los materiales aislantes. La temperatura no llega a estabilizarse.De manera general, se define como la relacin entre potencia til y potencia absorbida expresado en %

TIPOS DE MQUINAS ELCTRICAS

Mquinas elctricasCorriente Mquinas rotatorias Mquinas estticasCorrientealternamonofsicay trifsica Sncronas GeneradorMotorCompensadorAsncronas MotorGeneradorCompensadorConmutadas Motor monofsico en serieConvertidor de frecuenciaTransformadorRegulador de induccinVariador de faseCiclo convertidorCorrientecontinua Conmutadas GeneradorMotorCompensadorTroceadorACDC Conmutadas Motor universalConvertidorRectificadorInversor

COLECTOR (MOTOR ELCTRICO)

En ingeniera elctrica, un colector es un mtodo de hacer una conexin elctrica a travs de un ensamblaje rotativo. Los colectores tambin son llamados anillos rotatorios, anillos deslizantes (del ingls slip ring), interfaces elctricas rotativas, conectores elctricos rotativos o junta elctrica rotativa, son comnmente hallados en mquinas elctricas de corriente alterna como generadores, alternadores, turbinas de viento, en las cuales conecta las corriente de campo o excitacin con el bobinado del rotor. En el caso especial de las maquinas elctricas de corriente continua (motores y generadores) se usa un conmutador. Como regla general, se tienen tantos colectores como bobinas se tengan en el campo, por consiguiente, como fases tenga el sistema.

Un colector es usado para transmitir continuamente energa elctrica, seal o datos desde una fuente estacionaria a un destino rotativo, o viceversa. Hay disponible una amplia variedad de configuraciones, tipos de terminales y materiales para ajustarse a cada aplicacin.

Un motor elctrico con sus colectores.Un colector consiste en una corona circular conductiva montada en un eje y aislada de l. Las conexiones elctricas desde la parte rotativa del sistema, como el rotor de un generador, son hechas hasta el anillo. Las conexiones fijas o escobillas estn en contacto con el anillo, transfiriendo la energa elctrica del exterior, a la parte rotativa del sistema.

Este sistema es similar a el de escobillas y conmutadores, encontrado en diversos tipos de motores de corriente continua. Mientras que los colectores son continuos, los conmutadores son segmentados ya que a diferencia de los primeros los cuales se usan en AC, estos se usan en DC donde la corriente no cambia de sentido con respecto al tiempo, as, se deben usar solo mitades de anillos para invertir la corriente. Por lo anterior, los trminos no deben ser usados intercambiablemente. Los colectores tambin son usados en aplicaciones donde energa elctrica o seales deben ser transmitidas a un dispositivo rotativo, tal como un faro de aerdromo, tanque rotativo, retroexcavadora o radiotelescopio. A menudo transformadores rotativos en vez de colectores en situaciones de alta velocidad o baja friccin.

COLECTOR DE BAO DE MERCURIO

Los colectores con bao de mercurio, conocidos por su baja resistencia y su conexin estable, usan un principio diferente que reemplaza el contacto deslizante de la escobilla por una cama de metal lquido molecularmente adheridos a los contactos. Durante la rotacin, el metal lquido mantiene la conexin elctrica entre los contactos rotativos y estacionarios. Sin embargo, el uso de mercurio plantea problemas de seguridad, debido a que es una sustancia txica. Si una aplicacin de colector involucra la fabricacin o procesamiento de alimentos, equipos farmacuticos o cualquier otro uso donde la contaminacin podra ser un grave peligro, debera elegirse contactos de metales preciosos. La filtracin del mercurio y la contaminacin resultante podra ser extremadamente peligrosa.

CAMPO MAGNTICO QUE ROTA COMO SUMA DE VECTORES MAGNTICOS A PARTIR DE 3 BOBINAS DE LA FASE.

Rotor, estator y ventilador de un motor elctrico.El motor elctrico es un dispositivo que transforma la energa elctrica en energa mecnica por medio de la accin de los campos magnticos generados en sus bobinas. Son mquinas elctricas rotatorias compuestas por un estator y un rotor.

Algunos de los motores elctricos son reversibles, ya que pueden transformar energa mecnica en energa elctrica funcionando como generadores o dinamo. Los motores elctricos de traccin usados en locomotoras o en automviles hbridos realizan a menudo ambas tareas, si se disean adecuadamente.

Son utilizados en infinidad de sectores tales como instalaciones industriales, comerciales y particulares. Su uso est generalizado en ventiladores, vibradores para telfonos mviles, bombas, medios de transporte elctricos, electrodomsticos, esmeriles angulares y otras herramientas elctricas, unidades de disco, etc. Los motores elctricos pueden ser impulsados por fuentes de corriente continua (DC), y por fuentes de corriente alterna (AC).

La corriente directa o corriente continua proviene de las bateras, los paneles solares, dnamos, fuentes de alimentacin instaladas en el interior de los aparatos que operan con estos motores y con rectificadores. La corriente alterna puede tomarse para su uso en motores elctricos bien sea directamente de la red elctrica, alternadores de las plantas elctricas de emergencia y otras fuentes de corriente alterna bifsica o trifsica como los inversores de potencia.

Los pequeos motores se pueden encontrar hasta en relojes elctricos. Los motores de uso general con dimensiones y caractersticas ms estandarizadas proporcionan la potencia adecuada al uso industrial. Los motores elctricos ms grandes se usan para propulsin de trenes, compresores y aplicaciones de bombeo con potencias que alcanzan 100 megavatios. Estos motores pueden ser clasificados por el tipo de fuente de energa elctrica, construccin interna, aplicacin, tipo de salida de movimiento, etctera.

Werner von Siemens patent en 1866 la dinamo. Con ello no slo contribuy al inicio de los motores elctricos, sino tambin introdujo el concepto de Ingeniera Elctrica, creando planes de formacin profesional para los tcnicos de su empresa. La construccin de las primeras mquinas elctricas fue lograda en parte, sobre la base de experiencia prctica. A mediados de la dcada de 1880, gracias a la teora desarrollada por Nikola Tesla y al xito de Werner von Siemens, la ingeniera elctrica se introdujo como disciplina en las universidades.

La fascinacin por la electricidad aument con la invencin de la dinamo. Karl Marx predijo que la electricidad causara una revolucin de mayores alcances que la que se viva en la poca con las mquinas de vapor. Antonio Pacinotti invent el inducido en forma de anillo en una mquina que transformaba movimiento mecnico en corriente elctrica continua con una pulsacin, y dijo que su mquina podra funcionar de forma inversa. sta es la idea del motor elctrico de corriente continua.

Los primeros motores elctricos tcnicamente utilizables fueron creados por el ingeniero Moritz von Jacobi, quien los present por primera vez al mundo en 1834.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Los motores elctricos son dispositivos que transforman energa elctrica en energa mecnica. El medio de esta transformacin de energa en los motores elctricos es el campo magntico. Existen diferentes tipos de motores elctricos y cada tipo tiene distintos componentes cuya estructura determina la interaccin de los flujos elctricos y magnticos que originan la fuerza o par de torsin del motor.

El principio fundamental que describe cmo es que se origina una fuerza por la interaccin de una carga elctrica puntual q en campos elctricos y magnticos es la Ley de Lorentz:

donde:

q : carga elctrica puntual: Campo elctrico: velocidad de la partcula: densidad de campo magnticoEn el caso de un campo puramente elctrico la expresin de la ecuacin se reduce a:

La fuerza en este caso est determinada solamente por la carga q y por el campo elctrico . Es la fuerza de Coulomb que acta a lo largo del conductor originando el flujo elctrico, por ejemplo en las bobinas del estator de las mquinas de induccin o en el rotor de los motores de corriente continua.

En el caso de un campo puramente magntico:

La fuerza est determinada por la carga, la densidad del campo magntico y la velocidad de la carga . Esta fuerza es perpendicular al campo magntico y a la direccin de la velocidad de la carga. Normalmente hay muchsimas cargas en movimiento por lo que conviene reescribir la expresin en trminos de densidad de carga y se obtiene entonces densidad de fuerza (fuerza por unidad de volumen):

Al producto se le conoce como densidad de corriente (amperes por metro cuadrado):

Entonces la expresin resultante describe la fuerza producida por la interaccin de la corriente con un campo magntico:

Este es un principio bsico que explica cmo se originan las fuerzas en sistemas electromecnicos como los motores elctricos. Sin embargo, la completa descripcin para cada tipo de motor elctrico depende de sus componentes y de su construccin.

Ventajas

A igual potencia, su tamao y peso son ms reducidos.Se pueden construir de cualquier tamao y forma, siempre que el voltaje lo permita.Tiene un par de giro elevado y, segn el tipo de motor, prcticamente constante.Su rendimiento es muy elevado (tpicamente en torno al 75 %, aumentando a medida que se incrementa la potencia de la mquina).Este tipo de motores no emite contaminantes, aunque en la generacin de energa elctrica de la mayora de las redes de suministro, s se emiten contaminantes.No necesita de refrigeracin ni ventilacin externa, estn autoventilados.No necesita de transmisin/marchas.

Artculo principal: Motor de corriente alternaExisten tres tipos, siendo el primero y el ltimo los ms utilizados:

Motor universal, puede trabajar tanto en CA como en CC.Motor asncronoMotor sncronoOceanvolt, motor elctrico marinoLos motores elctricos se utilizan en la gran mayora de las mquinas modernas. Su reducido tamao permite introducir motores potentes en mquinas de pequeo tamao, por ejemplo taladros o batidoras. Su elevado par motor y alta eficiencia lo convierten en el motor ideal para la traccin de transportes pesados como trenes; as como la propulsin de barcos, submarinos y dmperes de minera, a travs del sistema Disel-elctrico.

Cambio de sentido de giro

Para efectuar el cambio de sentido de giro de los motores elctricos de corriente alterna se siguen unos simples pasos tales como:

Para motores monofsicos nicamente es necesario invertir las terminales del devanado de arranque, esto se puede realizar manualmente o con rels conmutadoresPara motores trifsicos nicamente es necesario invertir dos de las conexiones de alimentacin correspondientes a dos fases de acuerdo a la secuencia de trifases.Para motores de corriente alterna es necesario invertir los contactos del par de arranque.Regulacin de velocidad

Sncronos trifsicos existen dos formas de poder variar la velocidad, una es variando la frecuencia mediante un equipo electrnico especial y la otra es variando la polaridad gracias al diseo del motor. Esto ltimo es posible en los motores de devanado separado o los motores de conexin Hilandera, pero slo es posible tener un cambio de polaridad limitado, por ejemplo, de dos y cuatro polos.

Escobillas.En electricidad, es necesario, frecuentemente, establecer una conexin elctrica entre una parte fija y una parte rotatoria en un dispositivo. Este es el caso de los motores o generadores elctricos, donde se debe establecer una conexin de la parte fija de la mquina con las bobinas del rotor.

Para realizar esta conexin, se fijan dos anillos en el eje de giro, generalmente de cobre, aislados de la electricidad del eje y conectados a los terminales de la bobina rotatoria. Enfrente de los anillos se disponen unos bloques de carbn, que mediante unos resortes, hacen presin sobre ellos para establecer el contacto elctrico necesario. Estos bloques de carbn se denominan escobillas y los anillos rotatorios reciben el nombre de colector.

Conmutador con escobillas.Resulta curioso el hecho de que un elemento con estructura polidrica se denomine escobilla, cuando para nosotros el trmino escobilla siempre est asociado hacia algo filamentoso. En realidad, la escobilla, como tal, surgi como resultado a un problema que se present cuando las primeras mquinas elctricas fueron desarrolladas. El problema que deban resolver era llevar una corriente elctrica desde una masa giratoria a una masa estacionaria (lo que se conoce hoy en da como rotor y estator).

El primer elemento que se utiliz para llevar corriente elctrica de una masa giratoria a una masa estacionaria fue, precisamente, una escoba, una brocha. El inventor, tom un cable con una serie de filamentos metlicos, como virutas de fundicin, los agrup con un anillo metlico, como una brocha de afeitar, y las dispuso en contacto con una superficie energizada, el anillo rozador de un generador de corriente alterna rudimentaria. De ah, que su nombre original en el idioma ingls fuera brush, nombre que responda exactamente al elemento que se estaba inventando. Esta solucin result ser relativamente prctica para mquinas pequeas y mquinas lentas. Pero en la medida en que las potencias de los generadores se fueron haciendo ms grandes, la brocha de pelos metlicos ya era desechada, porque stos se recalentaban, se fundan rpidamente y se quebraban. Por esta razn se vio la necesidad de pasar a un material ms resistente.

Se llega entonces a lo que es una escobilla para mquinas elctricas, que se define en primera instancia como un frotador-conductor de corriente. Un elemento mecnico y elctrico cuya misin es transferir corriente de intensidad muy variable, entre la masa giratoria y su circuito exterior de alimentacin o utilizacin.

El primer error que se cometi fue pensar en la utilizacin de un material conductor. Se pens en escobillas de cobre, hierro y bronce, las cuales realizaron muy bien su trabajo como conductores, pero no resultaron ser buenos materiales en relacin de roce, ya que debido al alto coeficiente de rozamiento que hay entre dos superficies metlicas, ambas se deterioraban rpidamente. Debido a que desgastaban rpidamente los anillos, las llamadas "escobillas metlicas" fueron apartadas.

Como consiguiente se invirti el anlisis. Fue preciso buscar primero un buen frotador que tuviera unas condiciones aceptables como conductor. Despus de muchas evaluaciones se lleg a un material slido, como el carbn. En ese momento era un carbn amorfo, de caractersticas muy diferentes a las que se conocen hoy en da. Sin embargo, la idea ha persistido hasta la actualidad (2014), debido a que la estructura molecular del carbn es excelente para la friccin. Lo cierto es que ste se deteriora con el tiempo y desgasta tambin al mismo colector, aunque debe pasar un periodo de tiempo muy prolongado para que esto suceda.

El desarrollo de las mquinas elctricas potenci rpidamente que se desarrollaran tambin los diversos materiales para la fabricacin de escobillas. Es decir, si la primera mquina fue el generador de corriente alterna, ms adelante aparecera el propio motor de corriente alterna, la aparicin de la corriente continua con su generador, su motor y una serie de desarrollos como la Mquina Fraccionaria Universal y los motores de corriente alterna con velocidad variable, o el mismo motor de induccin con rotor bobinado que presenta una serie de retos para las escobillas y oblig a los fabricantes a desarrollar grados especiales e innovaciones continuas en este campo.

La relacin de intensidad dependiendo de las fases queda:

Sistema trifsico;

Sistema hexafsico;

Arranque de una conmutatriz

De los diferentes modos de trabajo que una conmutatriz puede realizar, el normalmente utilizado es el modo de conmutatriz directa, convirtiendo corriente alterna en corriente continua. En este modo de trabajo hay que hacer girar la mquina inicialmente. Para ello hay dos mtodos, uno consiste en utilizar un motor externo a la misma que la arrastre hasta la velocidad de giro establecida por la red (de sincronismo) y otro es arrancar la mquina como un motor asncrono.

Arranque con motor auxiliar Se arranca como si fuera un motor sncrono, arrastrndolo mediante un motor auxiliar asncrono.

Arranque como motor asncrono Hay varias formas de producir el arranque segn la construccin de la mquina. Uno de ellos es que el sistema polar vaya provisto de un bobinado amortiguador. El campo giratorio que se crea mediante el bobinado de la armadura produce corrientes inducidas en las barras del bobinado amortiguador comenzando la parte rotrica a girar hasta alcanzar una velocidad prxima a la velocidad de sincronismo, como cualquier motor asncrono, llamndose a esta pequea diferencia de velocidad respecto la de sincronismo "deslizamiento". En este momento, ya es posible obtener energa elctrica DC en el colector de delgas, de manera que esta puede usarse para alimentar las bobinas del inductor y convertir la mquina asncrona en una sncrona. Cuando esto ocurra se cierra el circuito inductor haciendo que el rotor alcance la velocidad de sincronismo.

Este modo de arranque es muy delicado y hay que hacerlo con cuidado. Mientras no se alcance la velocidad sncrona impuesta por la red de AC, en los bornes de las escobillas apoyadas sobre el colector de delgas, aparecer una tensin alterna no deseada, lo que obliga a tener que cerrar el interruptor que alimenta el inductor con precisin cuando el sentido de la corriente sea el correcto para la excitacin.

Sentido de giro y polaridad El sentido de rotacin de una conmutatriz depende naturalmente de sus conexiones con el manantial de energa elctrica que la alimenta, salvo si esta es bifsica (corriente alterna simple), caso en el que la mquina gira en el sentido del impulso que recibi en el arranque. Pudiera creerse que la polaridad de la corriente continua en el colector depende del sentido de rotacin de la mquina, pero no ocurre tal cosa; sin embargo, aunque se halle determinado con fijeza el sentido de rotacin de la conmutatriz por sus conexiones permanentes a la red de AC, la polaridad que sale de ella por el colector no lo est y puede variar cada vez que la mquina se pone en marcha. Por eso estas variaciones requieren de un conmutador bipolar de algn tipo en los conductores de salida de corriente continua que permita intercambiar las conexiones si es preciso. Un ejemplo de este comportamiento se observ en la conmutatriz de 100 kilovatios instalada en la Exposicin de Ginebra de 1896 para alimentar lmparas de arco. La primera noche las conexiones fueron correctas, polo positivo con el carbn positivo del colector. Al da siguiente la polaridad haba cambiado, y dos das despus volvi a cambiar.

La polaridad de la mquina depende de las corrientes de Foucault inducidas en las masas metlicas en el momento justo de sincronizarse la conmutatriz.

Regulacin de tensin y factor de potencia

En una conmutatriz que trabaja en modo directo el valor de la tensin de continua en los bornes de las escobillas depende del valor de la tensin alterna con la que se introduce por los anillos rozantes. La regulacin de la tensin continua se realiza mediante la regulacin de la alterna. La regulacin de la tensin alterna se puede realizar con un transformador con varias salidas, con inductancias puestas en serie o con un regulador de induccin que permite regulaciones en un amplio margen de valores.

La conmutatriz vista desde el lado de alterna es un motor sncrono por lo que la variacin del factor de potencia se realiza igual que en un motor de este tipo. Cuando se vara la intensidad de la corriente de excitacin, vara el flujo polar y con l el factor de potencia]Generador de una fase que genera una corriente elctrica alterna (cambia peridicamente de sentido), haciendo girar un imn permanente cerca de una bobina.

Un generador elctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial elctrica entre dos de sus puntos (llamados polos, terminales o bornes) transformando la energa mecnica en elctrica. Esta transformacin se consigue por la accin de un campo magntico sobre los conductores elctricos dispuestos sobre una armadura (denominada tambin estator). Si se produce mecnicamente un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generar una fuerza electromotriz (F.E.M.). Este sistema est basado en la ley de Faraday.

Aunque la corriente generada es corriente alterna, puede ser rectificada para obtener una corriente continua. En el diagrama adjunto se observa la corriente inducida en un generador simple de una sola fase. La mayora de los generadores de corriente alterna son de tres fases.

El proceso inverso sera el realizado por un motor elctrico, que transforma energa elctrica en mecnica.

Generador en la central elctrica de Bridal veil Falls, Telluride, Colorado. Se tratara del generador ms antiguo que se mantiene en servicio (ao 1984) en Estados Unidos.Otros sistemas de generacin de corrientes elctricas

No slo es posible obtener una corriente elctrica a partir de energa mecnica de rotacin sino que es posible hacerlo con cualquier otro tipo de energa como punto de partida. Desde este punto de vista ms amplio, los generadores se clasifican en dos tipos fundamentales:

Primarios: Convierten en energa elctrica la energa de otra naturaleza que reciben o de la que disponen inicialmente, como alternadores, dinamos, etc.Secundarios: Entregan una parte de la energa elctrica que han recibido previamente, es decir, en primer lugar reciben energa de una corriente elctrica y la almacenan en forma de alguna clase de energa. Posteriormente, transforman nuevamente la energa almacenada en energa elctrica. Un ejemplo son las pilas o bateras recargables.Se agruparn los dispositivos concretos conforme al proceso fsico que les sirve de fundamento.

Generadores primarios Se indican de modo esquemtico la energa de partida y el proceso fsico de conversin. Se ha considerado en todos los casos conversiones directas de energa. Por ejemplo, el hidrgeno posee energa qumica y puede ser convertida directamente en una corriente elctrica en una pila de combustible. Tambin sera su combustin con oxgeno para liberar energa trmica, que podra expansionar un gas obteniendo as energa mecnica que hara girar un alternador para, por induccin magntica, obtener finalmente la corriente deseada.

Energa de partida Proceso fsico que convierte dicha energa en energa elctricaEnerga magneto-mecnica Son los ms frecuentes y fueron tratados como generadores elctricos genricos.Corriente continua: DinamoCorriente alterna: AlternadorEnerga qumica (sin intervencin de campos magnticos) Celdas electroqumicas y sus derivados: pilas elctricas, bateras, pilas de combustible.Ver sus diferencias en generadores electroqumicos.

Radiacin electromagntica Fotoelectricidad, como en el panel fotovoltaicoEnerga mecnica (sin intervencin de campos magnticos) TriboelectricidadCuerpos frotadosMquinas electrostticas, como el generador de Van de GraaffPiezoelectricidadEnerga trmica (sin intervencin de campos magnticos) Termoelectricidad (efecto Seebeck)Energa nuclear (sin intervencin de campos magnticos) Generador termoelctrico de radioistopos

Generador termoelctrico de radioistopos de la sonda espacial Cassini.En la mayora de los casos, el rendimiento de la transformacin es tan bajo que es preferible hacerlo en varias etapas. Por ejemplo, convertir la energa nuclear en energa trmica, posteriormente en energa mecnica de un gas a gran presin que hace girar una turbina a gran velocidad, para finalmente, por induccin electromagntica, obtener una corriente alterna en un alternador, el generador elctrico ms importante desde un punto de vista prctico como fuente de electricidad para casi todos los usos actuales.

Motor de corriente alterna

Motor CA con caja de terminales elctricos en la parte superior y salida de eje de rotacin a la izquierda.Se denomina motor de corriente alterna a aquellos motores elctricos que funcionan con este tipo de alimentacin elctrica (ver "corriente alterna"). Un motor es una mquina motriz, esto es, un aparato que convierte una forma determinada de energa en energa mecnica de rotacin o par. Un motor elctrico convierte la energa elctrica en fuerzas de giro por medio de la accin mutua de los campos magnticos.

Un generador elctrico, por otra parte, transforma energa mecnica de rotacin en energa elctrica y se le puede llamar una mquina generatriz de fem (fuerza elctrica motriz). Las dos formas bsicas son el generador de corriente continua y el generador de corriente alterna, este ltimo ms correctamente llamado alternador.

Todos los generadores necesitan una mquina motriz (motor) de algn tipo para producir la fuerza de rotacin, por medio de la cual un conductor puede cortar las lneas de fuerza magnticas y producir una fem. La mquina ms simple de los motores y generadores es el alternador.

ndiceMotores de corriente alternaMotores universalesMotores asncronosMotores sncronosMotores de jaula de ardillaVase tambinMotores de corriente alterna Editar

En algunos de los casos, tales como barcos, donde la fuente principal de energa es de corriente continua, o donde se desea un gran margen de velocidades de giro, pueden emplearse motores de c-c. Sin embargo, la mayora de los motores modernos trabajan con fuentes de corriente alterna. Existe una gran variedad de motores de c-a, entre ellos tres tipos bsicos: el universal, el sncrono y el de jaula de ardilla.

Motores universales EditarLos motores universales trabajan con voltajes de corriente continua o corriente alterna. Tal motor, llamado universal, se utiliza en sierras elctricas, taladros, utensilios de cocina, ventiladores, sopladores, batidoras y otras aplicaciones donde se requiere gran velocidad de giro con cargas dbiles o fuerzas resistentes pequeas. Estos motores para corriente alterna y directa, incluyendo los universales, se distinguen por su conmutador devanado y las escobillas. Los componentes de este motor son: Los campos (estator), la masa (rotor), las escobillas (los excitadores) y las tapas (las cubiertas laterales del motor). El circuito elctrico es muy simple, tiene solamente una va para el paso de la corriente, porque el circuito est conectado en serie. Su potencial es mayor por tener mayor flexibilidad en vencer la inercia cuando est en reposo, o sea, tiene un par de arranque excelente, pero tiene una dificultad, y es que no est construido para su uso continuo o permanente (durante largos perodos de tiempo).

Otra dificultad de los motores universales son las emisiones electromagnticas. Las chispas del colector ("chisporroteos") junto con su propio campo magntico generan interferencias o ruido en el espacio radioelctrico. Esto se puede reducir por medio de los condensadores de paso, de 0,001 F a 0,01 F, conectados de las escobillas a la carcasa del motor y conectando sta a masa. Estos motores tienen la ventaja de que alcanzan grandes velocidades de giro, pero con poca fuerza. Existen tambin motores de corriente alterna trifsica que funcionan a 380 V y a otras tensiones.

Motores asncronos EditarEl motor asncrono trifsico est formado por un rotor, que puede ser de dos tipos: de jaula de ardilla o bobinado; y un esttor, en el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifsicas y estn desfasadas entre s 120 en el espacio. Segn el Teorema de Ferraris, cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifsicas equilibradas, cuyo desfase en el tiempo es tambin de 120, se induce un campo magntico giratorio que envuelve al rotor. Este campo magntico variable va a inducir una tensin en el rotor segn la Ley de induccin de Faraday:

Entonces se da el efecto Laplace (o efecto motor): todo conductor por el que circula una corriente elctrica, inmerso en un campo magntico experimenta una fuerza que lo tiende a poner en movimiento. Simultneamente se da el efecto Faraday ( efecto generador): en todo conductor que se mueva en el seno de un campo magntico se induce una tensin. El campo magntico giratorio, a velocidad de sincronismo, creado por el bobinado del esttor, corta los conductores del rotor, por lo que se genera una fuerza electromotriz de induccin. La accin mutua del campo giratorio y las corrientes existentes en los conductores del rotor, originan una fuerza electrodinmica sobre dichos conductores del rotor, las cuales hacen girar el rotor del motor. La diferencia entre las velocidades del rotor y del campo magntico se denomina deslizamiento.

Motores sncronos EditarDe acuerdo con estos principios, se puede utilizar un alternador como motor en determinadas circunstancias, aunque si se excita el campo con c-c y se alimenta por los anillos colectores a la bobina del rotor con c-a, la mquina no arrancar. El campo alrededor de la bobina del rotor es alterno en polaridad magntica pero durante un semiperiodo del ciclo completo, intentar moverse en una direccin y durante el siguiente semiperiodo en la direccin opuesta. El resultado es que la mquina permanece parada. La mquina solamente se calentar y posiblemente se quemar.

Para generar el campo magntico del rotor, se suministra una CC al devanado del campo; esto se realiza frecuentemente por medio de una excitatriz, la cual consta de un pequeo generador de CC impulsado por el motor, conectado mecnicamente a l. Se mencion anteriormente que para obtener un par constante en un motor elctrico, es necesario mantener los campos magnticos del rotor y del estator constantes el uno con relacin al otro. Esto significa que el campo que rota electromagnticamente en el estator y el campo que rota mecnicamente en el rotor se deben alinear todo el tiempo.

La nica condicin para que esto ocurra consiste en que ambos campos roten a la velocidad sincrnica:

Es decir, son motores de velocidad constante.

Para una mquina sincrnica de polos no salientes (rotor cilndrico), el par se puede escribir en trminos de la corriente alterna del estator, , y de la corriente continua del rotor, :

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

El rotor de un alternador de dos polos debe hacer una vuelta completa para producir un ciclo de c-a. Debe girar 60 veces por segundo (si la frecuencia fuera de 60 Hz), o 3.600 revoluciones por minuto (rpm), para producir una c-a de 60 Hz. Si se puede girar a 3.600 rpm tal alternador por medio de algn aparato mecnico, como por ejemplo, un motor de c-c, y luego se excita el inducido con una c-a de 60 Hz, continuar girando como un motor sncrono.

Su velocidad de sincronismo es 3.600 rpm. Si funciona con una c-a de 50 Hz, su velocidad de sincronismo ser de 3.000 rpm. Mientras la carga no sea demasiado pesada, un motor sncrono gira a su velocidad de sincronismo y slo a esta velocidad. Si la carga llega a ser demasiado grande, el motor va disminuyendo de velocidad, pierde su sincronismo y se para. Los motores sncronos de este tipo requieren todos una excitacin de c-c para el campo (o rotor), as como una excitacin de c-a para el estator.

Se puede fabricar un motor sncrono construyendo el rotor cilndrico normal de un motor tipo jaula de ardilla con dos lados planos. Un ejemplo de motor sncrono es el reloj elctrico, que debe arrancarse a mano cuando se para. En cuanto se mantiene la c-a en su frecuencia correcta, el reloj marca el tiempo exacto. No es importante la precisin en la amplitud de la tensin.

Motores de jaula de ardilla La mayor parte de los motores que funcionan con c-a de una sola fase tienen el rotor de tipo jaula de ardilla. Los rotores de jaula de ardilla reales son mucho ms compactos y tienen un ncleo de hierro laminado.

Los conductores longitudinales de la jaula de ardilla son de cobre y van soldados a las piezas terminales de metal. Cada conductor forma una espira con el conductor opuesto conectado por las dos piezas circulares de los extremos. Cuando este rotor est entre dos polos de campos electromagnticos que han sido magnetizados por una corriente alterna, se induce una fem en las espiras de la jaula de ardilla, una corriente muy grande las recorre y se produce un fuerte campo que contrarresta al que ha producido la corriente (ley de Lenz). Aunque el rotor pueda contrarrestar el campo de los polos estacionarios, no hay razn para que se mueva en una direccin u otra y as permanece parado. Es similar al motor sncrono el cual tampoco se arranca solo. Lo que se necesita es un campo rotatorio en lugar de un campo alterno.

Cuando el campo se produce para que tenga un efecto rotatorio, el motor se llama de tipo de jaula de ardilla. Un motor de fase partida utiliza polos de campo adicionales que estn alimentados por corrientes en distinta fase, lo que permite a los dos juegos de polos tener mximos de corriente y de campos magnticos con muy poca diferencia de tiempo. Los arrollamientos de los polos de campo de fases distintas, se deberan alimentar por c-a bifsicas y producir un campo magntico rotatorio, pero cuando se trabaja con una sola fase, la segunda se consigue normalmente conectando un condensador (o resistencia) en serie con los arrollamientos de fases distintas.

Con ello se puede desplazar la fase en ms de 20 y producir un campo magntico mximo en el devanado desfasado que se adelanta sobre el campo magntico del devanado principal.

El desplazamiento real del mximo de intensidad del campo magntico desde un polo al siguiente, atrae al rotor de jaula de ardilla con sus corrientes y campos inducidos, hacindole girar. Esto hace que el motor se arranque por s mismo.

El devanado de fase partida puede quedar en el circuito o puede ser desconectado por medio de un conmutador centrfugo que le desconecta cuando el motor alcanza una velocidad predeterminada. Una vez que el motor arranca, funciona mejor sin el devanado de fase partida. De hecho, el rotor de un motor de induccin de fase partida siempre se desliza produciendo un pequeo porcentaje de reduccin de la que sera la velocidad de sincronismo.

Si la velocidad de sincronismo fuera 1.800 rpm, el rotor de jaula de ardilla, con una cierta carga, podra girar a 1.750 rpm. Cuanto ms grande sea la carga en el motor, ms se desliza el rotor. En condiciones ptimas de funcionamiento un motor de fase partida con los polos en fase desconectados, puede funcionar con un rendimiento aproximado del 75%.

Otro modo de producir un campo rotatorio en un motor, consiste en sombrear el campo magntico de los polos de campo. Esto se consigue haciendo una ranura en los polos de campo y colocando un anillo de cobre alrededor de una de las partes del polo.

Mientras la corriente en la bobina de campo est en la parte creciente de la alternancia, el campo magntico aumenta e induce una fem y una corriente en el anillo de cobre. Esto produce un campo magntico alrededor del anillo que contrarresta el magnetismo en la parte del polo donde se halla l.

En este momento se tiene un campo magntico mximo en la parte de polo no sombreada y un mnimo en la parte sombreada. En cuanto la corriente de campo alcanza un mximo, el campo magntico ya no vara y no se induce corriente en el anillo de cobre. Entonces se desarrolla un campo magntico mximo en todo el polo. Mientras la corriente est decreciendo en amplitud el campo disminuye y produce un campo mximo en la parte sombreada del polo.

De esta forma el campo magntico mximo se desplaza de la parte no sombreada a la sombreada de los polos de campo mientras avanza el ciclo de corriente. Este movimiento del mximo de campo produce en el motor el campo rotatorio necesario para que el rotor de jaula de ardilla se arranque solo. El rendimiento de los motores de polos de induccin sombreados no es alto, vara del 30 al 50 por 100. Una de las principales ventajas de todos los motores de jaula de ardilla, particularmente en aplicaciones de radio, es la falta de colector o de anillos colectores y escobillas. Esto asegura el funcionamiento libre de interferencias cuando se utilizan tales motores. Estos motores tambin son utilizados en la industria. El mantenimiento que se hace a estos motores es fcil.