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Actividades educativas y visita a instalaciones
Las máquinas eléctricas son dispositivos capaces de transformar la energía eléctrica en cualquier otra forma de energía. Se dividen en los siguientes tipos:
En las máquinas rotativas, el rotor se monta en un eje que descansa en dos rodamientos o cojinetes. El espacio de aire que separa el rotor del estátor se llama entrehierro y es necesario para que la máquina pueda girar. Normalmente, tanto en el estátor como en el rotor existen devanados hechos con conductores de cobre por los que circulan corrientes suministradas o cedidas a un circuito exterior que constituye el sistema eléctrico. Uno de los devanados crea un flujo en el entrehierro y se denomina inductor. El otro devanado recibe el flujo del primero y se llama inducido. Asimismo, se podría situar el inductor en el estátor y el inducido en el rotor o viceversa.
La potencia de salida que ofrecen las máquinas eléctricas rotativas es menor que la potencia de alimentación que se les suministra, llamada potencia suministrada. La diferencia entre la potencia de salida y la suministrada son las pérdidas. Su fórmula es la siguiente:
Psuminstrada – Psalida : Pérdidas |
La potencia de salida de un generador eléctrico es la potencia eléctrica que entrega, es decir: la potencia útil. La potencia suministrada o total es la potencia mecánica de entrada: la potencia mecánica que absorbe la máquina para poder generar electricidad. Dentro de una máquina eléctrica rotativa, las pérdidas más significativas son:
El cociente entre la potencia de salida (también llamada potencia útil) y la potencia suministrada (también llamada potencia total o absorbida) es la eficiencia. Esta eficiencia se expresa en tanto por ciento (%):
n = (Potencia útil / Potencia total ) · 100 |
La Ley de Faraday está basada en los experimentos que Michael Faraday, físico británico, realizó en 1830. Establece que el voltaje inducido en un circuito es directamente proporcional al cambio del flujo magnético en un conductor o espira. Esto significa que si tenemos un campo magnético generando un flujo magnético, necesitamos una espira por donde circule una corriente para conseguir que se genere la fuerza electromotriz (f.e.m.).
Faraday también ideó el primer generador electromagnético: el disco de Faraday. ¿En qué consistía? Era un disco de cobre que giraba impulsado por una manivela situada entre los extremos de un imán con forma de herradura. El disco de Faraday demostró que se podía generar electricidad usando magnetismo. Además, abrió la puerta a los conmutadores, dinamos de corriente continua y a los alternadores de corriente.
Cuando dentro de un campo magnético tenemos una espira por donde circula una corriente eléctrica aparecen un par de fuerzas que provocan que la espira gire alrededor de su eje. De esta misma manera, si dentro de un campo magnético introducimos una espira y la hacemos girar provocaremos la corriente inducida. Esta corriente inducida es la responsable de la fuerza electromotriz y será variable en función de la posición de la espira y el campo magnético. La cantidad de corriente inducida o f.e.m. dependerá de la cantidad de flujo magnético (también llamado líneas) que la espira pueda cortar, cuanto mayor sea el número, mayor variación de flujo generar y, por lo tanto, mayor fuerza electromotriz.
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La cantidad de corriente inducida o fuerza electromotriz dependerá de la cantidad de flujo magnético (también llamado líneas) que la espira pueda cortar. Cuanto mayor sea el número, mayor variación de flujo genera y por lo tanto mayor fuerza electromotriz.
Se observa los dos casos más extremos, cuando la espira está situada a 0º o 180º y no corta líneas, y cuando está a 90º y 270º y las corta todas.
Al hacer girar la espira dentro del imán conseguiremos una tensión que variará en función del tiempo. Esta tensión tendrá una forma alterna, puesto que de 180º a 360º los polos estarán invertidos y el valor de la tensión será negativo.
El principio de funcionamiento del alternador y de la dinamo se basa en que el alternador mantiene la corriente alterna mientras la dinamo convierte la corriente alterna en corriente continua.
Los alternadores, también llamados generadores de corriente alterna, son máquinas que transforman la energía mecánica en energía eléctrica. La mayoría son de corriente alterna síncrona, lo que significa que giran a la velocidad de sincronismo, que está relacionada con el número de polos que tiene la máquina y la frecuencia de la fuerza electromotriz.
Esta relación hace que el motor gire a la misma velocidad que le impone el estátor a través del campo magnético. Esta relación viene dada por la expresión:
n = 60. f / P |
f es la frecuencia a la cual está conectada la máquina y P es el número de pares de polos.
Al ser máquinas síncronas que se conectan a la red, los alternadores han de trabajar a una frecuencia determinada. En el caso de Europa y algunas zonas de Latinoamérica se trabaja a 50 Hz, mientras que en los Estados Unidos usan 60 Hz. En aplicaciones especiales como en el caso de la aeronáutica, se utilizan frecuencias más elevadas, del orden de los 400 Hz.
La estructura del alternador es la siguiente:
¿Cómo funcionan los alternadores? Para generar el campo magnético, hay que aportar una corriente de excitación (Ie) en corriente continua. Esta corriente genera el campo magnético para conseguir la corriente inducida (Ii) que será corriente alterna.
Los alternadores están acoplados a una máquina motriz que les genera la energía mecánica en forma de rotación. Según la máquina motriz tenemos tres tipos:
Los alternadores necesitan una fuente de corriente continua para alimentar los electroimanes (deanados) que forman el sistema inductor. Por eso, en el interior del rotor se incorpora la excitatriz.
La excitatriz es la máquina encargada de suministrar la corriente de excitación a las bobinas del estátor, parte donde se genera el campo magnético. Según la forma de producir el flujo magnético inductor podemos hablar de:
Cuando un alternador funciona conectado a un circuito exterior se crean corrientes inducidas que nos generan los siguientes efectos:
El generador de corriente continua, también llamado dinamo, es una máquina eléctrica rotativa a la cual le suministramos energía mecánica y la transforma en energía eléctrica en corriente continua. En la actualidad se utilizan muy poco, ya que la producción y transporte de energía eléctrica es en forma de corriente alterna.
Una de las características de las dinamos es que son máquinas reversibles: se pueden utilizar tanto como generador o como motor. El motor es la principal aplicación industrial de la dinamo, ya que tiene facilidad a la hora de regular su velocidad de giro en el rotor. Las principales partes de esta máquina son:
El estátor es la parte fija exterior de la dinamo. Contiene el sistema inductor destinado a producir el campo magnético.
Está formado por:
El rotor es la parte móvil que gira dentro del estátor. Está formado por:
El entrehierro es el espacio de aire comprendido entre el rotor y el estátor, imprescindible para evitar rozamientos entre la parte fija y la parte móvil. Su tamaño suele oscilar entre 1 y 3 milímetros.
La conmutación es la operación de transformación de una señal alterna a una señal continua, también se conoce como rectificación de señal. Las dinamos hacen esta conmutación porque tienen que suministrar corriente continua. Esta conmutación en las dinamos se realiza a través del colector de delgas. Los anillos del colector están cortados debido a que por fuera de la espira la corriente siempre tiene que ir en el mismo sentido. A la hora de realizar esta conmutación existen diferentes problemas. Cuando el generador funciona con una carga conectada en sus bornes, nos encontramos con una caída de tensión interna y una reacción en el inducido.
El inducido creará un flujo magnético que se opone al generado por el imán. A este efecto se le da el nombre de fuerza contraelectromotriz, que desplazará el plano neutro. Para solucionar este problema se pueden realizar diversas mejoras como: desplazar las escobillas, usar bobinas de compensación o polos de conmutación o auxiliares.
El alternador posee varias ventajas frente a la dinamo, lo que la convierten en la máquina más utilizada. Destacamos las siguientes en materia de utilidad: