Tema 6. Máquinas eléctricas Máquinas eléctricas. Clasificación y principios básicos Una máquina eléctrica transforma energía eléctrica en otro tipo, normalmente mecánica, o bien de nuevo en energía eléctrica pero con unas características distintas. En ellas además la energía se almacenará temporalmente en forma de campo magnético. Desde este punto de vista de las trasformaciones de energía se clasificarán en tres grandes grupos: generadores, motores y transformadores. Ingeniería Energética. 2º IOP. Curso 15/16 Máquinas eléctricas. Clasificación Clasificación según las transformaciones de la energía: generadores, motores y transformadores. Las transformaciones son reversibles MOTOR Magnética TRANSFORMADOR Magnética Mecánica Eléctrica Magnética GENERADOR Clasificación desde el punto de vista mecánico: -Máquinas estáticas (transformadores) -Máquinas con partes móviles (rotativas) -Estator -Rotor Clasificación desde el punto de vista eléctrico: -Máquinas de corriente continua -Máquinas de corriente alterna -Síncronas -Asíncronas Principios básicos Los principios básicos en los que se apoya la transformación de energía eléctrica en magnética y esta a su vez en mecánica -y viceversa- se han visto en los temas anteriores. • Una corriente eléctrica por un conductor genera en su entorno un campo magnético. • Los materiales ferromagnéticos se utilizarán para dirigir los flujos magnéticos -y por tanto los energéticos- entre las diferentes partes de un sistema según nuestra conveniencia. • Un dipolo magnético situado en el interior de un campo magnético sufrirá un momento o par de fuerzas que tenderá a orientarlo en la dirección del campo. • Un campo magnético variable en el tiempo induce en un conductor una fuerza electromotriz y, si se cierra el circuito, una corriente eléctrica. Electroimanes Principios básico: Una corriente eléctrica por un conductor genera en su entorno un campo magnético. Los materiales ferromagnéticos se utilizarán para dirigir los flujos magnéticos -y por tanto los energéticos- entre las diferentes partes de un sistema según nuestra conveniencia. Transformadores Principios básico: Una corriente eléctrica alterna genera en una bobina un campo magnético también alterno. En una segunda bobina, este campo magnético alterno genera una tensión eléctrica. ଵ ଵ ଶ ଶ ଶ ଵ Generadores síncronos Principios básico: Un imán permanente (o un electroimán) se hará girar en el entorno de una o más bobinas. La variación en el tiempo del flujo magnético en las bobinas genera una tensión eléctrica. c. alterna monofásica c. alterna trifásica La tensión que se puede generar con un imán permanente es limitada, para aumentarla se necesita un campo magnético mayor en el rotor, que se generará con un núcleo ferromagnético y un arrollamiento por el que circula una corriente continua. Con este método se podrá además formar un electroimán con más de un par de polos, y tal como se ve en la figura. Para introducir, o extraer, corrientes eléctricas en el rotor, será necesario disponer anillos, normalmente de cobre, contra los que rozan otros materiales conductores –escobillas- garantizando el contacto eléctrico. El conjunto de anillos se llamará colector. Generadores de corriente continua Principios básico: Utilizar un generador de corriente alterna y cambiar los contactos de salida cíclicamente, con medios electromecánicos o semiconductores. Si se dispone un mayor número de bobinas y de delgas, se puede generar una tensión más estable. Motores de corriente continua y universales Si en el interior de un campo magnético situamos un electroimán (dipolo magnético), sufrirá un par que tenderá a alinearlo con el campo exterior. Si la espira del rotor y está conectada con un colector de delgas, cuando esté cercano a alinearse, el colector de delgas invierta el sentido de la corriente y por tanto el dipolo magnético, haciendo que el movimiento continúe. Para potencias elevadas, el campo exterior será generado por un electroimán. La misma tensión aplicada al rotor a través de las delgas, pudiendo estar conectados ambos en serie o paralelo. Además los motores así construidos pueden funcionar con tensión continua o alterna. Cuando cambie la polaridad de la alimentación, cambiarán los sentidos de ambos campos, y el par de giro mantendrá su sentido. Motores síncronos Principios básico: Tres campos magnéticos variables que sumados dan un campo constante que gira (Teorema de Ferraris). El campo giratorio resultante arrastra un imán (o electroimán) en el rotor, produciendo potencia mecánica. Los motores síncronos se utilizan cuando es necesario controlar de manera precisa la velocidad de giro. El campo magnético giratorio es una ventaja de la distribución de energía con sistemas trifásicos. Invirtiendo las conexiones de dos de las bobinas, el campo magnético gira en sentido contrario, invirtiendo el sentido del rotor. Será necesario disponer de una fuente de tensión continua para alimentar el rotor. Motores asíncronos Principios básico: El campo giratorio de Ferraris puede inducir corrientes eléctricas en una bobina en el rotor sin que sea necesario introducir en él una corriente desde el exterior para crear un electroimán. Generadores asíncronos: las máquinas son reversibles. Motores de inducción monofásicos En muchas instalaciones no se dispone de corriente trifásica. En este caso se emplearán motores de inducción monofásicos. El rotor estará constituido de nuevo por una jaula de ardilla. El estator estará constituido en general por dos devanados desplazados 90 geométricos, aunque también hay motores con un único devanado. Para definir un sentido de flujo, deberá introducirse algún tipo de asimetría en el flujo magnético. Características constructivas Para situar los devanados se enrollarán en polos salientes (en estator o rotor) o bien distribuidos en ranuras, que se llamarán de entrehierro uniforme En los motores de corriente alterna se producirán las pérdidas por corrientes de Foucault, la solución será un núcleo de chapas apiladas y de baja conductividad eléctrica. Pérdidas y rendimiento Ps Pu Pe Pu pmec p Fe pCu Mecánicas: rozamiento En el cobre: por resistencia al paso de la corriente eléctricas en las bobinas. En el hierro: por resistencia al paso del flujo magnético y otros efectos. Rectificación de corriente alterna Materiales semiconductores, con propiedades intermedias, y lo más importante, manipulables según las necesidades. Uno de los dispositivos más sencillos y más utilizados es el diodo. Su característica fundamental es que dejan circular la corriente únicamente en una dirección. Los diodos se asociarán en conjuntos que aprovechan esta característica para convertir la corriente alterna monofásica y trifásica en continua. El primer caso se denomina un rectificador de media onda.
