Máquinas Eléctricas: Principios de Funcionamiento, Componentes y Pérdidas

Máquinas eléctricas: principios de funcionamiento

Las máquinas eléctricas son dispositivos que transforman la energía eléctrica en energía de rotación (motores) o, al revés, la energía de rotación en energía eléctrica (generadores). Su funcionamiento se basa en los siguientes principios:

• Principio de inducción electromagnética: afirma que cuando un campo eléctrico varía en el espacio se produce un campo magnético, y cuando un campo magnético varía en el tiempo se produce un campo eléctrico.
• Ley de Lorentz: afirma que cuando una carga o corriente eléctrica se mueve en el interior de un campo magnético aparece una fuerza sobre ella que tiende a desplazarla hacia la zona donde el flujo magnético sea mayor.

Electroimanes

Todas las máquinas eléctricas necesitan para funcionar la presencia de al menos dos campos magnéticos. Los imanes naturales producen campos magnéticos no especialmente intensos y difícilmente regulables. Por ese motivo es imprescindible producir campos magnéticos artificiales, usando electroimanes, que constan de un núcleo de un material ferromagnético alrededor del cual se enrolla un hilo de cobre bobinado en espiral.

De acuerdo con la 2.ª ley de Ampère, al pasar corriente eléctrica por el hilo de cobre aparece en el núcleo un campo magnético B cuya polaridad sigue la regla de la mano derecha. El electroimán regula su intensidad y sentido, y es muy fácil cambiarlos.

Ley de Faraday

Cuando un campo magnético varía en el tiempo aparece un campo eléctrico que se manifiesta en forma de corrientes eléctricas sobre los conductores que se encuentren en su proximidad: un voltaje inducido o fuerza electromotriz.

Elementos de las máquinas eléctricas

Estator

El estator es la parte externa fija de la máquina. Aparte de los elementos de soporte y de conexión eléctrica, consta por su lado interno de un conjunto de electroimanes (bobinas) con los que se genera el campo magnético de excitación. Según la configuración física de los electroimanes existen dos tipos de estatores: de polos salientes o de bobinas, siendo estos últimos los más habituales.

Rotor

El rotor es la parte interna móvil de la máquina. Consta generalmente de un conjunto de bobinas arrolladas en torno a un eje central giratorio. También posee dos configuraciones: de polos salientes y de bobinas. Por diversos motivos, muchas veces interesa o es necesario que en un mismo elemento, ya sea en el rotor o en el estator, haya varias bobinas a la vez y/o que esas bobinas tengan varios pares de polos en vez de uno solo. Esto se puede conseguir devanando adecuadamente las hilos de cobre.

Colector

El colector es un elemento acoplado al rotor, más concretamente a sus bobinas, y que lo comunica eléctricamente con el exterior a través de elementos llamados escobillas. Existen dos tipos de colectores: los de anillos rozantes y los de delgas. Estos últimos tienen un único anillo partido en varios arcos metálicos (las delgas) eléctricamente aisladas entre sí.

Circuitos eléctricos

Todas las máquinas eléctricas constan de dos circuitos eléctricos con los que se generan los campos magnéticos que, al girar, producen movimiento en los motores o, con cuyo movimiento relativo, se produce corriente eléctrica en los generadores:

• Circuito de excitación: es el que produce el campo magnético principal. En los motores se suele colocar en el estator y en los generadores en el rotor, aunque existen notables excepciones.
• Circuito inducido: es el que recibe el campo magnético de excitación y responde moviéndose y/o generando corrientes inducidas, de ahí su nombre. Se coloca habitualmente en el rotor de los motores y en el estator de los generadores.

Pérdidas en las máquinas eléctricas

• Pérdidas en el cobre (P_Cu): son todas las pérdidas de potencia ocasionadas por el calentamiento eléctrico (efecto Joule) de las bobinas. Representan aproximadamente el 8%.
• Pérdidas en el hierro (P_Fe): son las pérdidas de potencia que se producen por el calentamiento electromagnético de los núcleos de hierro. Se deben fundamentalmente a las energías consumidas de forma irreversible al magnetizar y desmagnetizar cíclicamente los núcleos (histéresis) y también a las corrientes parásitas que aparecen en su interior por la ley de Faraday (efecto Foucault). Estas pérdidas no se pueden calcular fácilmente y se deben determinar mediante ensayos. Si se elige adecuadamente el material de los núcleos y se construyen con chapas finas aisladas entre sí, se pueden reducir bastante bien, hasta el punto de que raras veces superan el 2% de pérdida con respecto a la potencia total.
• Pérdidas mecánicas (P_mc): se deben a rozamientos en las partes móviles de la máquina, principalmente los cojinetes y las escobillas, pero también al rozamiento con el aire. También se incluye aquí la potencia gastada por los dispositivos de refrigeración y ventilación. Representan aproximadamente el 4%.
• Potencia eléctrica interna: corresponde a toda aquella potencia que no se gasta en las bobinas y que de una manera u otra se consume en el eje, ya sea como potencia útil, pérdidas mecánicas o pérdidas en el hierro.

Regímenes de funcionamiento

Según su velocidad de giro, se dice que la máquina está:

• En arranque cuando n ≈ 0.
• En aceleración cuando n toma valores intermedios.
• En régimen estacionario cuando n toma su valor nominal, n = n_nom.

Según la carga que soporte, o sea, según el par útil que tenga que realizar, se dice que la máquina está:

• En vacío cuando m_u = 0.
• A media carga cuando m_u = ½ m_nom.
• A plena carga cuando m_u = m_nom.