Máquina eléctrica

Si una máquina eléctrica convierte energía mecánica en energía eléctrica, se la denomina generador, mientras que las máquinas que convierten electricidad en movimiento se denominan motores. ^{[ 11 ]}

Los generadores que producen corriente alterna (CA) se denominan alternadores, mientras que los generadores de corriente continua (CC) se denominan dinamos. Los motores se denominan bombas cuando su movimiento se utiliza para mover un fluido, como el agua. ^{[ 12 ]}

En teoría, la mayoría de las máquinas eléctricas pueden usarse como generador o como motor; sin embargo, en la práctica, es común que se especialicen para una u otra función. La potencia de un generador se suele medir en kilovatios (kW), mientras que la de un motor se mide en caballos de fuerza (hp) .

Las máquinas eléctricas pueden conectarse a un sistema eléctrico de corriente alterna (CA) o de corriente continua (CC), siendo la CA monofásica o trifásica . Salvo raras excepciones, como los motores universales , las máquinas no pueden cambiar de sistema eléctrico. ^{[ 13 ]} Las máquinas de CA son principalmente generadores síncronos o motores de inducción.

El término "máquina de CC" es algo inapropiado, ya que todas las máquinas de CC utilizan voltajes y corrientes alternas para funcionar. ^{[ 14 ]} La mayoría de las máquinas de CC incluyen un conmutador , que permite que los devanados del inducido dentro de la máquina de CC cambien periódicamente sus conexiones al sistema eléctrico de CC a medida que la máquina gira, alternando efectivamente la dirección de los voltajes y las corrientes dentro de la máquina, pero manteniendo voltajes y corrientes de CC en el lado eléctrico.

Si una máquina eléctrica tiene un circuito eléctrico en su rotor, necesita un medio para alimentar el circuito incluso mientras el rotor gira. Un método para lograr esto es acoplar escobillas metálicas al estator y mantenerlas bajo tensión contra el rotor. ^{[ 15 ]} Estas escobillas se energizan en el lado fijo del estator y transfieren electricidad al rotor en movimiento. La parte del rotor que entra en contacto con las escobillas se denomina anillos colectores y está diseñada para soportar tanto la electricidad que pasa a través de ellos como el desgaste mecánico de girar continuamente contra las escobillas. Las escobillas suelen estar hechas de carbono, debido a su resistencia y conductividad. Las escobillas se desgastan y necesitan ser reemplazadas a lo largo de la vida útil de la máquina.

Otra técnica para alimentar el circuito eléctrico del rotor es mediante inducción electromagnética . Dado que el rotor ya está en movimiento, cumple con uno de los requisitos principales de la inducción (campo magnético variable) y puede adaptarse para que se le induzca un campo magnético. Esta técnica es muy común en motores de inducción , pero también se utiliza en máquinas síncronas sin cojinetes. ^{[ 16 ]}

Si el devanado del rotor es un devanado de campo, su función es actuar como un electroimán y generar un campo magnético giratorio. Esto puede sustituirse por un imán permanente, eliminando la necesidad de escobillas o anillos colectores y simplificando el diseño de la máquina. Los imanes permanentes de gran tamaño son caros y no siempre permiten que una máquina funcione como motor y generador a la vez, por lo que las máquinas de imanes permanentes suelen limitarse a motores de baja potencia. ^{[ 17 ]}

Los motores eléctricos convierten la electricidad en movimiento y pueden mover cargas mecánicas cada vez mayores al consumir más energía eléctrica. Esto tiene un costo: dado que la fuerza de Lorenz define la velocidad de la máquina, si la fuerza tiene que superar una carga mecánica mayor, la velocidad de la máquina disminuye. En los motores rotativos, las fuerzas se consideran pares , y este comportamiento se conoce como la curva de velocidad-par de la máquina. ^{[ 18 ]} Los motores eléctricos indican la velocidad en términos de revoluciones por minuto (RPM) .

La forma de la curva velocidad-par depende del diseño del motor. En los motores de CC, la curva velocidad-par es lineal, con el par máximo a velocidad cero (par de bloqueo) y la velocidad máxima a par cero (velocidad en vacío). ^{[ 19 ]} En los motores de CA, la curva par-velocidad tiene una forma más compleja, comenzando con el par de arranque asociado a la corriente de rotor bloqueado a velocidad cero, aumentando gradualmente con la velocidad hasta alcanzar el par de ruptura y, finalmente, cayendo rápidamente a cero a la velocidad en vacío (máxima). La forma exacta de la curva depende del diseño del motor de CA.

En las máquinas eléctricas de corriente alterna (CA), un campo magnético gira alrededor de la máquina debido a las conexiones del sistema eléctrico, mientras que el otro campo magnético gira debido al movimiento físico del rotor. Si estos dos campos magnéticos giran a la misma velocidad, se dice que la máquina es una máquina síncrona y funciona a velocidad síncrona. ^{[ 20 ]} Si los campos magnéticos giran a velocidades diferentes, la máquina es asíncrona, con una velocidad superior o inferior a la velocidad síncrona. Si el campo del rotor es más lento que el campo del estator, la máquina actúa como un motor; si es más rápido, actúa como un generador. Las máquinas asíncronas no pueden funcionar a velocidades síncronas. ^{[ 21 ]} Otro nombre común para las máquinas asíncronas es máquina de inducción.

Las máquinas de CC no se clasifican como síncronas ni asíncronas, ya que los campos magnéticos no giran. ^{[ 22 ]} El campo magnético del devanado de campo (o PM) se encuentra en el estator y es estacionario. El devanado de armadura se encuentra en el rotor y gira, pero su polaridad se invierte por conmutación. El sistema de CC tampoco tiene una frecuencia con la que comparar la velocidad.

Un generador síncrono es una máquina síncrona con un motor primario acoplado a su rotor, accionado por una turbina de vapor o de gas . Un generador síncrono suele tener un devanado de armadura trifásico y genera corriente alterna (CA). El devanado de campo del rotor se excita normalmente mediante escobillas y anillos colectores; sin embargo, también existen máquinas sin escobillas que utilizan un motor primario (PM) o un circuito excitador que consiste en la inducción de CA del estator al rotor y un rectificador en el rotor para proporcionar corriente continua (CC). Su potencia varía desde unos pocos kilovatios para voltajes residenciales hasta 500 MW o más para voltajes superiores a 20 000 V. Los generadores síncronos son la forma más común de generación tradicional para el sistema eléctrico de CA.

Los motores de inducción son el tipo de motor más común y prácticamente el único utilizado en aplicaciones de corriente alterna (CA). Su popularidad radica en su simplicidad: al aprovechar la inducción entre el estator y el rotor para generar el campo magnético del devanado de campo, eliminan la necesidad de escobillas, anillos colectores o circuitos complejos, lo que los hace más simples y robustos. El diseño de rotor de jaula de ardilla es el más común, aunque también existen rotores bobinados tradicionales. Los motores de inducción están disponibles en versiones trifásicas o monofásicas, si bien los monofásicos no pueden arrancar por sí solos y requieren algún tipo de circuito de arranque. Son comunes en aplicaciones como compresores para aires acondicionados y refrigeradores, ventiladores y bombas de gran tamaño, y sistemas de transporte.

Los motores pequeños de menos de 100 V suelen ser motores de CC con escobillas. Se pueden excitar de diversas maneras: mediante un imán permanente, un circuito de bobinado de campo independiente o un bobinado de campo conectado al circuito de la armadura. En todos los casos, el circuito de excitación o los imanes se encuentran en el estator, y la armadura en el rotor, con un conmutador para conectarla a los circuitos eléctricos mediante escobillas. Las aplicaciones típicas de los motores de CC con escobillas incluyen pequeños servomotores, pequeños ventiladores y la mayoría de los motores alimentados por batería.

Un motor de CC sin escobillas (BLDC) es una máquina que reemplaza las escobillas y los conmutadores de un motor de CC tradicional con escobillas por componentes electrónicos para su control. La construcción de un BLDC puede ser muy similar a la de una máquina síncrona de imanes permanentes, o bien, puede ser una máquina asíncrona adaptada. Los motores más pequeños también pueden utilizar configuraciones únicas de estator y rotor, por ejemplo, una configuración outrunner (con el rotor rodeando el estator) o una configuración axial (rotor y estator planos y paralelos en el mismo eje). En todos los casos, el motor se controla mediante un conjunto de componentes electrónicos que energizan diferentes bobinados del inducido en distintos momentos, lo que provoca que el imán permanente del rotor gire a una posición o velocidad determinada por la electrónica. Las aplicaciones comunes de los motores BLDC incluyen periféricos de computadora, como unidades de disco y ventiladores, y herramientas portátiles alimentadas por batería, como taladros y sierras circulares.

Las máquinas de rotor electromagnético son máquinas que poseen algún tipo de corriente eléctrica en el rotor, la cual crea un campo magnético que interactúa con los devanados del estator. La corriente del rotor puede ser la corriente interna de un imán permanente (máquina PM), una corriente suministrada al rotor a través de escobillas (máquina de escobillas) o una corriente generada en los devanados cerrados del rotor por un campo magnético variable (máquina de inducción).

Las máquinas de imanes permanentes (PM) cuentan con imanes permanentes en el rotor que generan un campo magnético. La fuerza magnetomotriz en un PM (causada por electrones en órbita con espín alineado) suele ser mucho mayor que la que se puede lograr en una bobina de cobre. Sin embargo, la bobina de cobre puede rellenarse con un material ferromagnético, lo que reduce considerablemente su reluctancia magnética . Aun así, el campo magnético creado por los imanes permanentes modernos ( imanes de neodimio ) es más intenso, lo que implica que las máquinas PM presentan una mejor relación par/volumen y par/peso que las máquinas con bobinas en el rotor durante su funcionamiento continuo. Esta situación podría cambiar con la introducción de superconductores en el rotor.

Dado que los imanes permanentes en una máquina de imanes permanentes ya introducen una considerable reluctancia magnética, la reluctancia en el entrehierro y las bobinas es menos importante. Esto ofrece una gran libertad a la hora de diseñar máquinas de imanes permanentes.

Por lo general, es posible sobrecargar las máquinas eléctricas durante un breve período hasta que la corriente en las bobinas caliente ciertas partes de la máquina a una temperatura que cause daños. Las máquinas de imanes permanentes toleran peor este tipo de sobrecarga, ya que una corriente demasiado alta en las bobinas puede generar un campo magnético lo suficientemente fuerte como para desmagnetizar los imanes.

Las máquinas de reluctancia no tienen bobinados en el rotor, solo un material ferromagnético con una forma que permite que los electroimanes del estator se adhieran a los dientes del rotor y lo hagan avanzar ligeramente. Posteriormente, los electroimanes se desactivan, mientras que otro conjunto se activa para mover el rotor aún más. También se les conoce como motores paso a paso, y son adecuados para bajas velocidades y un control de posición preciso. Las máquinas de reluctancia pueden equiparse con imanes permanentes en el estator para mejorar su rendimiento. El electroimán se desactiva mediante el envío de una corriente negativa a la bobina. Cuando la corriente es positiva, el imán y la corriente cooperan para crear un campo magnético más intenso, lo que mejora el par máximo de la máquina de reluctancia sin aumentar el valor absoluto máximo de la corriente.

La armadura de las máquinas eléctricas polifásicas incluye múltiples devanados alimentados por corrientes alternas desfasadas entre sí por ángulos fasoriales iguales . Las más comunes son las máquinas trifásicas , donde los devanados están separados (eléctricamente) 120°. ^{[ 23 ]}

Las máquinas trifásicas tienen ventajas importantes sobre las monofásicas: ^{[ 24 ]}

• El par en estado estacionario es constante, lo que reduce las vibraciones y prolonga la vida útil (el par instantáneo de un motor monofásico pulsa con el ciclo).
• La potencia es constante (el consumo de energía del motor monofásico varía a lo largo del ciclo);
• menor tamaño (y por lo tanto menor coste) para la misma potencia;
• La transmisión a través de 3 cables solo necesita 3/4 del metal que se requeriría para una línea de transmisión monofásica de dos cables para la misma potencia;
• mejor factor de potencia .

En las máquinas electrostáticas , el par motor se crea por la atracción o repulsión de la carga eléctrica en el rotor y el estator.

Los generadores electrostáticos generan electricidad mediante la acumulación de carga eléctrica. Los primeros tipos eran máquinas de fricción , mientras que los posteriores eran máquinas de influencia que funcionaban por inducción electrostática . El generador Van de Graaff es un generador electrostático que todavía se utiliza en la investigación actual.

Las máquinas homopolares son máquinas de corriente continua (CC) en las que la corriente se suministra a una rueda giratoria mediante escobillas. La rueda se inserta en un campo magnético, y se genera un par motor a medida que la corriente se desplaza desde el borde hacia el centro de la rueda a través de dicho campo.

Dado que los generadores se utilizan para crear sistemas eléctricos, suelen controlarse para mantener la estabilidad del sistema. Para satisfacer la demanda eléctrica, los generadores emplean un regulador que ajusta la energía mecánica a la carga eléctrica, generalmente regulando la fuente de combustible. Como los generadores síncronos generan una frecuencia eléctrica en función de su velocidad, también incluyen un control de velocidad variable para mantenerla dentro de un rango aceptable para el sistema eléctrico. Los generadores pueden tener interruptores o disyuntores en su lado eléctrico para conectarlos y desconectarlos, y pueden controlarse local o remotamente.

Los motores pueden controlarse con un simple interruptor manual o con un complejo sistema electromagnético. Un método común es mediante un contactor eléctrico cuya bobina se alimenta a través de un circuito independiente. Este circuito puede alimentarse de la misma fuente de alimentación que el motor, pero aislado mediante un transformador, separando así la corriente de carga del motor de la corriente de control. Otros dispositivos, como enclavamientos , pestillos e interruptores de retardo, pueden combinarse en una configuración de lógica de escalera para diseñar diferentes esquemas de control de motores. El diseño moderno permite sustituir la lógica de control electromecánica por controladores lógicos programables o variadores de frecuencia para ofrecer un control más preciso del motor, así como acceso remoto.

La protección de las máquinas eléctricas se puede dividir en dos partes: protección eléctrica y protección mecánica.

En el aspecto eléctrico, la protección contra sobrecorriente es el método más común y básico para evitar daños o la destrucción de los devanados y circuitos de la máquina. Las máquinas complejas con múltiples devanados y/o fases también pueden contar con protección diferencial para garantizar que no haya fallas internas. Según la aplicación, las máquinas pueden incluir protección térmica (temperatura de los devanados), protección contra subtensión y detección de secuencia de fases. La protección puede ser sencilla, con fusibles y relés de sobrecarga, o más compleja, con disyuntores y relés digitales que realizan procesamiento digital de señales y funciones de protección.

En el aspecto mecánico, la protección térmica supervisa si la carga mecánica genera demasiado calor por fricción. Los cojinetes del rotor también se pueden supervisar indirectamente, ya que su desgaste y daños tienden a aumentar el ruido y las vibraciones en la máquina. Para controlar la velocidad de rotación, se puede utilizar un tacómetro para medir la velocidad del eje.

Con el interruptor abierto, no hay circuito eléctrico cerrado y la batería no suministra corriente. Al no circular corriente dentro del campo magnético, no se genera fuerza, la barra no se mueve y no se induce voltaje alguno en ella.

La máquina se puede poner en marcha cerrando el interruptor.${\displaystyle S}$, que forma un circuito eléctrico cerrado. A partir de la ecuación (3) se puede determinar la corriente suministrada; sin embargo, como la barra aún no se mueve, el voltaje inducido es${\displaystyle {e}_{ind}=0}$y la corriente de arranque está determinada únicamente por la resistencia en serie.${\displaystyle R}$.

${\displaystyle i={V_{B}-{e}_{ind} \over R}\longrightarrow {i}_{start}={V_{B} \over R}}$

Ahora que la corriente fluye a través de la barra y dentro del campo magnético${\displaystyle {\vec {B}}}$Se induce una fuerza y ​​la barra comienza a moverse. Con el campo magnético orientado hacia el interior de la página y la corriente fluyendo de arriba abajo a través de la barra, la regla de la mano derecha indica que la fuerza generada apunta hacia la derecha. Según la ley de Newton, en la ecuación (4), la barra comenzará a acelerar hacia la derecha en proporción a su masa.

Cuando la barra comienza a moverse en el campo magnético, se induce un voltaje a través de la barra desde (2). Con el movimiento de la barra hacia la derecha y el campo magnético hacia adentro de la página, la magnitud de${\displaystyle {e}_{ind}}$es positivo. Con${\displaystyle {e}_{ind}>0}$, la corriente que fluye se reducirá, lo que a su vez reduce la fuerza inducida y reduce la aceleración de la barra. Mientras la aceleración disminuye, la velocidad sigue aumentando, lo que aumenta la magnitud de${\displaystyle {e}_{ind}}$Esta retroalimentación continúa hasta que el voltaje inducido aumenta al voltaje total de la batería.${\displaystyle {e}_{ind}=V_{B}}$, lo que resulta en la ausencia de flujo de corriente, lo que resulta en la ausencia de fuerza inducida y de aceleración. La barra se estabiliza en su velocidad de estado estacionario igual a

${\displaystyle V_{B}={e}_{ind}={v}_{ss}Bl\longrightarrow {v}_{ss}={{e}_{ind} \over Bl}}$

A esta velocidad se la conoce como velocidad sin carga. La barra seguirá moviéndose a esta velocidad hasta que se vea afectada, siempre y cuando los cables y el campo magnético se extiendan lo suficiente. Además, se supone que no hay fricción y que la barra no tiene masa.

Suponiendo que la barra tiene una masa${\displaystyle m}$Cuando se cierra el interruptor y comienza a fluir corriente a través de la barra en el campo magnético, se inducirá una fuerza. Sin embargo,${\displaystyle F_{ind}}$ahora se verá contrarrestado por la fuerza del peso de${\displaystyle m}$por gravedad${\displaystyle g}$. Definiendo esto como${\displaystyle F_{load}}$La fuerza neta sobre la barra se convierte entonces en:

${\displaystyle F_{net}=F_{ind}-F_{load}=F_{ind}-mg}$

Como la fuerza neta es menor que la fuerza inducida en vacío, la barra experimentará una menor aceleración, lo que resultará en una disminución del voltaje inducido, lo que provoca que se extraiga más corriente, aumentando finalmente la fuerza inducida. Esto continúa hasta que la fuerza inducida sea igual a la fuerza de carga, resultando en una fuerza neta nula y sin aceleración. A diferencia del caso ideal en vacío, el circuito ahora extrae algo de corriente para producir la fuerza suficiente para compensar la fuerza de carga y se estabiliza a una velocidad menor que la velocidad de estado estacionario en vacío. Si una masa${\displaystyle M}$Si se colocaran frente a la barra, la máquina eléctrica consumiría corriente adicional para mover ambas masas a una velocidad constante y menor. A medida que el motor se ajusta para alcanzar una fuerza neta de cero, la fuerza inducida final que produce la máquina es

${\displaystyle F_{ind}=F_{load}=g(m+M)}$

Si el interruptor está cerrado, la máquina eléctrica consumirá suficiente corriente para mover la masa de la barra a una velocidad constante, ligeramente inferior a la velocidad teórica en vacío. Si en lugar de oponerse al movimiento, se aplica una fuerza en la misma dirección que la barra en movimiento, la fuerza neta se convierte en

${\displaystyle F_{net}=F_{ind}+F_{app}}$

Como la fuerza neta ahora es mayor que la fuerza inducida, la barra comenzará a acelerar y su velocidad aumentará. A medida que aumenta la velocidad en el campo magnético, la tensión inducida en la barra también aumentará. Dado que la tensión inducida ya se encuentra cerca de la tensión de la batería, la fuerza aplicada provoca que supere dicha tensión, lo que hace que la corriente invierta su dirección y fluya hacia la batería.

${\displaystyle i={V_{B}-{e}_{ind} \over R}\longrightarrow -i={{e}_{ind}-V_{B} \over R}}$

Cuando la corriente cambia de dirección, la fuerza inducida también cambia de dirección y comienza a oponerse a la fuerza aplicada. Esto ralentiza la barra, disminuyendo la tensión inducida y la corriente extraída. Este proceso continúa hasta que la fuerza inducida se iguala a la fuerza aplicada, pero en sentido contrario, con la barra moviéndose a una velocidad constante superior a la velocidad de equilibrio.

Al circular la corriente en sentido contrario, la máquina eléctrica carga la batería con la energía generada por la fuerza aplicada a la barra y actúa como generador. Esto pone de manifiesto un aspecto poco intuitivo de la mayoría de las máquinas eléctricas: que una máquina alterne entre funcionar como motor y como generador no implica un cambio en su dirección de movimiento (o rotación).

La potencia se define como trabajo por unidad de tiempo.${\displaystyle P={dW \over dt}}$y una máquina eléctrica convierte energía eléctrica en energía mecánica (como un motor) o energía mecánica en energía eléctrica (como un generador). ^{[ 25 ]} Mecánicamente, si una fuerza constante${\displaystyle F}$se aplica a un objeto a través de una distancia${\displaystyle x}$, el trabajo realizado se define como${\displaystyle F\cdot x}$y por lo tanto el poder como${\displaystyle F\cdot v}$En términos eléctricos, la potencia se define como el voltaje a través de un elemento multiplicado por su corriente.${\displaystyle V\cdot I}$, dadas las definiciones de voltaje como trabajo por unidad de carga${\displaystyle {dW \over dQ}}$y corriente como cargo por unidad de tiempo${\displaystyle {dQ \over dt}}$Estas ecuaciones se resumen en la tabla siguiente.

Para la máquina lineal de CC, la potencia convertida es la potencia eléctrica entregada a la potencia móvil, que es igual a la potencia mecánica de la barra. Esto toma la forma de

${\displaystyle P_{conv}=e_{ind}\cdot i=F_{ind}\cdot v}$

Una máquina eléctrica también transfiere potencia mediante pérdidas, generalmente en forma de calor . Si bien este comportamiento no es deseable, es la naturaleza de las máquinas eléctricas y de todos los sistemas termodinámicos .

Eléctricamente, la resistencia en el circuito disipa algo de potencia en forma de calor, tomando la forma

${\displaystyle P_{loss,elec}=i^{2}R}$

Mecánicamente, también se pierde algo de potencia debido a la fricción entre la barra móvil y la carga y los rieles, tomando la forma

${\displaystyle P_{loss,mech}=F_{f}v=(\mu F_{N})v=(\mu g[m+M])v}$

La potencia total producida por la máquina es la suma de la potencia convertida y las pérdidas. Cuando funciona como motor, la batería proporciona la potencia total, y cuando funciona como generador, la fuerza aplicada proporciona la potencia total.

Estas ecuaciones de potencia se muestran en la tabla.