Fundamentos Esenciales de Máquinas Eléctricas Rotativas y Transformadores

Fundamentos de Máquinas Eléctricas y Transformadores

Generador de Corriente Continua (Dinamo)

El generador de corriente continua (CC), también conocido como Dinamo, se compone de un estator (inductor) y un rotor (inducido).

Componentes Clave

• Culata: Pieza que une los polos de la máquina.
• Pieza Polar: Parte ubicada entre la culata y el entrehierro.
• Regulador: Dispositivo utilizado para mantener una tensión constante.

Generador de Arranque

El generador de arranque CC posee un campo bobinado en serie, lo que lo hace incapaz de mantener un rendimiento alto de manera sostenida.

Motor de Corriente Continua (CC)

Al igual que el generador, el motor CC consta de un estator (inductor) y un rotor (inducido).

Conceptos de Funcionamiento

• Par Motor: Es la fuerza con la que gira el motor, medida en Newton-metro (N·m).
• Potencia y Rendimiento: El rendimiento se calcula como la relación entre la potencia útil (P_u) y la potencia absorbida (P_abs).

Tipos de Motores CC

• Imán Permanente: Ofrece un par bajo (común en juguetes).
• Sin Escobillas (Brushless): Alcanza una alta velocidad de rotación (típico en ventiladores).
• Campo Bobinado:
  • Conexión en Serie: Genera un gran par.
  • Conexión en Paralelo: Permite una gran velocidad.
• Paso a Paso (Pas à Pas): Caracterizado por su baja velocidad y control muy preciso (utilizado en lectores de CD).

Generador de Corriente Alterna (CA) y Alternador

El generador CA utiliza dos colectores, uno para cada fase.

El Alternador

El Alternador produce Corriente Alterna (CA). En su configuración, el estator actúa como inducido y el rotor como inductor. Aunque produce CA internamente, la salida del alternador suele ser rectificada a CC (para cargar baterías, por ejemplo).

Conexiones Trifásicas

• Conexión Estrella (4 conexiones): Utiliza dos bobinados en serie. Se caracteriza por baja velocidad y alto voltaje.
• Conexión Triángulo (3 conexiones): Utiliza bobinados en paralelo. Se caracteriza por baja velocidad y alta corriente.

Proceso de Rectificación y Regulación

• Proceso de Rectificación: Consiste en conectar dos diodos (+ y -) por cada terminal del estator.
• Puente Rectificador: Circuito esencial que convierte la CA generada en CC.
• Regulador: Supervisa el voltaje de la batería y controla el flujo de corriente hacia el rotor.

Motores de Corriente Alterna (CA)

En los motores CA, el estator es el inductor y el rotor es el inducido. Los motores trifásicos operan con un desfase de 120º entre fases.

La velocidad de rotación (rpm) se calcula mediante la fórmula:

$$rpm = 60 \cdot \left(\frac{f}{par\, de\, polos}\right)$$ (Donde $f$ es la frecuencia)

Motor Asíncrono (o de Inducción)

Se caracteriza por su fácil transporte y alta fiabilidad. Genera un campo magnético giratorio. El disco siempre va retrasado respecto a la velocidad del campo magnético (velocidad síncrona), por lo que nunca alcanza la misma velocidad. (Ejemplo: Dos electroimanes generan un desfase de 90º).

Motor Síncrono

Motor cuya velocidad es controlada y constante (utilizado en lavadoras o taladros de precisión).

Tipos de Rotor

• Rotor Jaula de Ardilla: No requiere corriente externa, solo la inducida. Ofrece un mejor arranque y disminuye el ruido.
• Rotor Bobinado: Cilindro provisto de ranuras donde se alojan los devanados.

Motor Universal

Presenta baja eficiencia y se utiliza en aplicaciones donde la potencia no es crítica (como ventiladores o batidoras).

Transformadores (Trafos)

Los transformadores operan exclusivamente con Corriente Alterna (CA).

Leyes Fundamentales

• Ley de Faraday: La variación del flujo magnético que atraviesa una superficie delimitada por un hilo conductor genera una fuerza electromotriz (FEM) que se opone al campo magnético que la genera.
• Autoinducción: El cambio de corriente que pasa por una bobina induce una FEM en función de la variación de dicha corriente.
• Inducción Mutua: Una corriente cambiante en una bobina induce una FEM en una bobina cercana debido al cambio en el campo magnético compartido.

Núcleo y Funcionamiento

• Núcleo: Su función es densificar el flujo magnético, facilitando la inducción en el bobinado secundario.
• Funcionamiento SIN Carga: La relación de tensiones es proporcional a la relación de espiras: $$\frac{V_1}{N_1} = \frac{V_2}{N_2}$$
• Funcionamiento CON Carga: La potencia de entrada y salida es igual (idealmente). La relación de transformación ($r_t$) es: $$r_t = \frac{V_1}{V_2} = \frac{I_2}{I_1} = \frac{N_1}{N_2}$$

Pérdidas en el Transformador

La potencia total se relaciona como: $P_1 = P_2 + P_{pérdidas}$ (donde $P = V \cdot I \cdot \cos\varphi$).

Tipos de Pérdidas

• Pérdidas por Efecto Joule: Pérdida por calor generada en los conductores. La solución es utilizar un buen conductor.
• Pérdidas en el Núcleo:
  • Histéresis: Causada por el ciclo de magnetización y desmagnetización del material cuando la CA cambia de dirección.
  • Corrientes de Foucault: Causadas por la corriente eléctrica inducida dentro del material del núcleo debido al campo magnético alterno.

Autotransformadores

El autotransformador se caracteriza por tener un solo devanado y tres puntos de conexión. Ofrece un menor tamaño, menos pérdidas y es más económico. Se utiliza frecuentemente en métodos de arranque suave de motores.