Generadores y Motores I. Eléctricos. TECNOL.

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Tecnología

Conceptos generales. Se denomina g. eléctrico a toda máquina que convierte energía mecánica en energía eléctrica, y m. eléctrico, a toda máquina que convierte energía eléctrica en energía mecánica. Los g. y m. eléctricos normalmente empleados son máquinas giratorias, mecánicamente constituidas por una parte fija o estator y una parte móvil o rotor que gira solidario con un eje, soportado mediante cojinetes por el estator. La parte eléctrica está formada por devanados o arrollamientos de hilo de cobre o aluminio, bobinados sobre núcleos magnéticos que forman, respectivamente, el cuerpo del estátor y del rotor. Su funcionamiento está basado en el fenómeno de inducción electromagnética (v.); por tanto, habrá siempre una corriente eléctrica (corriente de excitación) que origina un campo magnético (campo magnético inductor) el cual, por inducción, produce una fuerza electromotriz (fem) que provoca la circulación de una corriente inducida. La corriente inducida será la cedida por la máquina al circuito exterior (generadores) o la absorbida de la red eléctrica para su posterior transformación en energía mecánica (motores). La corriente de excitación es, por lo general, corriente continua que procede de una fuente exterior (excitación independiente) o, en otros casos, está producida en la misma máquina (autoexcitación) .

Todas las partes de un m. o de un g., tales como arroIlarnientos de excitación, circuitos magnéticos, cte., que están destinadas a producir la corriente de excitación y, por tanto, el campo magnético inductor, llevan el nombre general de inductor. Las partes de estas máquinas (devanados, colectores, etc.) en las que se producen las corrientes inducidas, llevan el nombre general de inducido. En unas máquinas (g. y m, de corriente continua) el inductor es fijo (estátor) y el inducido es giratorio (rotor); otras veces (alternadores), el inductor es giratorio (rotor) y el inducido es fijo (estátor).

Generadores y motores de corriente continua. La disposición constructiva es idéntica para ambos, de forma que una misma máquina puede producir corriente continua si se aplica a su inducido (en este caso, el rotor) un movimiento giratorio (generador) o se produce un movimiento giratorio si se alimenta el inducido con corriente continua procedente del circuito exterior (motor). La máquina de corriente continua está constituida de la siguiente manera:

Un inductor, que en este caso es también el estátor o parte fija de la máquina; lo forman la culata o carcasa y los polos inductores, ambos de material magnético; sobre éstos va bobinado el arrollamiento de excitación. Cuando la máquina lleva dos polos inductores se denomina bipolar; cuando el inductor lleva más de dos polos se trata de máquinas multipolares.

Un inducido, que en este caso es también el rotor o parte giratoria de la máquina, sobre el que va bobinado un conductor de cobre, denominado arrollamiento de inducido. El núcleo del inducido es también de material magnético.

Un colector, constituido por varias delgas o láminas de cobre, aisladas entre sí y formando, en conjunto, un cuerpo cilíndrico. El colector y el inducido se montan sobre el mismo eje, mediante piezas especiales, y giran simultáneamente; el arrollamiento de inducido va unido por conductores a las delgas del colector. Sobre el colector rozan unos contactos a presión denominados escobillas y fijados al cuerpo de la máquina mediante portaescobillas.

El espacio que queda libre entre los polos inductores y el cuerpo del inducido se denomina entrehierro. En una máquina bipolar hay un polo Norte (N) y un polo Sur (S). En las máquinas multipolares, los polos se montan siempre por parejas y alternativamente, de forma que siempre haya un número par de polos. Una parte de la carcasa, dos polos (N y S), dos entrehierros y una parte del inducido, constituyen el circuito magnético de la máquina. El inductor produce el campo magnético necesario para que aparezcan corrientes inducidas. En el inducido se desarrollan estas corrientes por medio del campo magnético inductor. Por medio del colector se recoge la corriente producida en el inducido (generador) o, en otro caso, el colector se emplea para recoger la corriente de la línea que, por reacción sobre el campo magnético inductor, provoca el movimiento giratorio del inducido (motor).

El g. de corriente continua es conocido también con el nombre de dinamo. Las relaciones fundamentales son: 1) La fem producida, E, es proporcional a la velocidad de la máquina y a la corriente de excitación, o sea

E=K1nIex

Como casi siempre la velocidad n puede considerarse constante, ya que depende de la velocidad de la máquina motriz, se tiene

E=K1´Iex

2) La tensión en bornes Ub depende, esencialmente, del valor de E y de la suma de caídas de tensión en el circuito, o sea

Ub=E-ERI

3) El par resistente M que la dinamo opone a la máquina motriz es proporcional a la corriente de excitación I,x y a la corriente de carga I:

M=K2IexI

De acuerdo con estas expresiones, la tensión en bornes de una dinamo podrá regularse actuando sobre su corriente de excitación; por tanto, el regulador de tensión es un reostato en serie con el arrollamiento de excitación; de esta forma puede variarse la resistencia total del circuito y, por consiguiente, el valor de la corriente de excitación.

En un m. de coriente continua las relaciones fundamentales son las siguientes:

1) La fuerza contraelectromotriz E del m. se opone a la tensión en bornes y es proporcional a la velocidad de la máquina y a la corriente de excitación, es decir,

E=K3nIex

2) La tensión en bornes Ub debe cubrir la suma de tensiones presentes en el circuito, es decir, la fuerza contraelectromotriz E y las caídas de tensión internas; por tanto, se tiene

Ub=E+RI

de donde

E=Ub-IRI

3) La corriente de carga I vale Ub-E 7=

R i,

siendo Rr? t la resistencia interior del motor. Durante el arranque se tiene E=0, y, por tanto,

IA= Ub Rir,t

y como R;?, es pequeña, la corriente de arranque IA puede alcanzar valores muy elevados con peligro de fusión del inducido por el calor desarrollado; por esta razón, en serie con el inducido se monta un arrancador de elevada resistencia RA, que queda conectado durante el periodo de arranque; de esta forma, la corriente de arranque IA es menor y vale

Ub

IA Rint+RA

A medida que aumenta la velocidad del m. durante el arranque, crece la fuerza contraelectromotriz y se puede reducir paulatinamente la resistencia RA, hasta que el m. alcanza la plena velocidad, en cuyo momento puede suprimirse RA.

4) La potencia suministrada P es proporcional a la velocidad y al par motor, o sea que vale

P=KanM

5) El par motor M es proporcional a la corriente de excitación y a la corriente de carga, y resulta independiente de la velocidad del m., es decir, que se tiene

M=K51111

6) La velocidad n está expresada por la relación Ub-ERI

n=K6

Iex

Para un m. dado, de estos valores solamente son variables la corriente de carga 1 y la corriente de excitación Iex; por tanto, la velocidad depende, esencialmente, de estas dos magnitudes. Puede, en consecuencia, regularse la velocidad, actuando sobre la corriente de excitación lex, mediante un regulador de velocidad montado exactamente igual que el regulador de tensión de las dinamos.

Generadores y motores de corriente alterna. Los g. le corriente alterna se denominan también alternadores. En un alternador, el inductor es el rotor y consta de una rueda polar en la que van montados los polos inductores alternadamente N y S y sobre ellos se bobina el arrollamiento de excitación; la corriente continua de excitación procede de una pequeña dinamo, llamada excitatriz; generalmente montada sobre el mismo eje del alternador; desde el colector de la excitatriz, la corriente de excitación pasa al inductor del alternador a través de dos anillos rozantes, con escobillas, montados en el eje. El inducido constituye el estátor y es, por tanto, fijo; está formado por una serie de bobinas dispuestas sobre una carcasa circular formada por chapas de material magnético. Las bobi

nas están alojadas en ranuras practicadas en la carcasa y constituyen el arrollamiento de inducido; frente a ellas gira la rueda polar con los polos inductores y cada conductor de este arrollamiento está sometido sucesivamente a campos magnéticos alternos puesto que frente a él se sitúan alternativa y sucesivamente un polo N y un polo S. En el conductor se induce, por tanto, una fem alterna; uniendo de forma conveniente todos los conductores del inducido, en los bornes de salida del alternador se recogerá una fem, que será la suma de las fem parciales inducidas en cada conductor. Según la clase de corriente recogida, habrá alternadores monofásicos y trifásicos; unos y otros, según el número de polos inductores serán bipolares, tetrapolares, hexapolares, etc.

Los m. de corriente alterna son de diferentes tipos; el más utilizado por su sencillez constructiva y por su poco precio es el m. trifásico de inducción. Este m. no necesita corriente de excitación: si se tiene un conductor cortocircuitado situado en el campo magnético de un electroimán giratorio, el flujo magnético es cortado por el conductor al girar el campo magnético y se produce una corriente inducida en dicho conductor, que tenderá a anular la causa que la produce (Ley de Lenz), o sea, el desplazamiento del campo respecto al conductor, por lo que éste tenderá a moverse arrastrado por el campo giratorio. En el m. de inducción, el electroimán móvil se sustituye por un campo magnético giratorio, resultante de la composición de los tres campos magnéticos producidos por las corrientes de un sistema trifásico defasadas 120° entre sí: el campo resultante es un vector giratorio de magnitud constante. Para conseguir este campo giratorio, en las ranuras del inductor de la máquina, o estátor. constituido por material magnético, se bobinan tres arrollamientos convenientemente distribuidos para que, al ser alimentados por corriente alterna trifásica, las corrientes que los atraviesan estén defasadas entre sí 120°; si se dispone de una sola bobina por fase, se obtiene un campo magnético bipolar; con dos bobinas por fase se obtiene un campo rnagnéticq letrapolar; v así sucesivamente. La velocidad n, con que gira el campo magnético (velocidad ele sincronisn1o), es .

60f

n,= r.p.m. siendo / la frecuencia (generalmente 50 Hz) y p el número de pares de polos del campo magnético. El inducido giratorio de L máquina, o rotor, está formado por un núcleo de material magnético, provisto de ranuras en las que se bobina un arrollamiento de inducido constituido de conductores de cobre o aluminio cerrados en corto circuito; en el caso más sencillo (rotor de jaula de ardilla) cl arrollamiento de inducido consta de una serie de varillas conductoras de cobre o aluminio, unidas por sus extremos a un par de anillos conductores formando de esta manera un conjunto de espiras en corto circuito, que se introduce en las ranuras del núcleo del rotor. Para los m. de mayor potencia, en las ranuras del rotor se monta un arrollamiento trifásico dispuesto en forma análoga a los devanados del estator (rotor bobinado). La velocidad del rotor n es siempre algo inferior a la velocidad de sincronismo n,,; se llama deslizamiento a la relación

n,-n

y es proporcional a la corriente de carga; a plena carga vale de, 6 a S%.

V. t.: CIRCUITOS ELÉCTRICOS;>CIRCUITOS MAGNÉTICOS;>CORRIENTE ELÉCTRICA; ELÉCTRICA, ENERGÍA; ELECTRICIDAD; ELECTROMAGNETISMO; ELECTROTECNIA; INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA.

J. RAMÍREZ VÁZQUEZ.

BIBL.: A. FOUILLÉ, Electrotecnia para Ingenieros, II. Máquinas eléctricas, Madrid 1965; Manual AEG, 9 ed. Berlín 1967 (en español);- MOELLER-WERR, Electrotecnia general y aplicada, II. Máquinas eléctricas, Barcelona 1961; J. RAMÍREZ Y OTROS, Enciclopedia CEAC de Electricidad, II. Máquinas eléctricas de corriente continua, III. Máquinas eléctricas de corriente alterna, Barcelona 1972.