Fundamentos y Clasificación de Máquinas Eléctricas: Estáticas, Rotativas y sus Componentes

Conceptos Fundamentales de Máquinas Eléctricas

Una máquina eléctrica es un conjunto de mecanismos que generan, aprovechan o transforman energía eléctrica. Se clasifican en: generadores, motores y transformadores.

Cuando varía el flujo magnético a través de un circuito cerrado, se origina una fuerza electromotriz inducida. Esta fuerza se produce en un circuito inerte (sin generador) por la variación del número de líneas de inducción que lo atraviesan. El circuito donde se origina la corriente se llama inducido, y el cuerpo que crea el campo magnético, inductor.

La potencia mecánica desarrollada debe ser igual a la potencia eléctrica obtenida. La fuerza electromotriz (FEM) se calcula como: E = W/q = v·B·L o E = -dΦ/dt. Si una bobina gira en un campo magnético uniforme, el flujo que la atraviesa varía senoidalmente, induciendo una FEM alterna.

El sentido de las corrientes inducidas se opone a las causas que las producen (Ley de Lenz). Las corrientes de Foucault son corrientes eléctricas cerradas, originadas por inducción en conductores macizos cuando varía el flujo magnético. Los núcleos de hierro son laminados para evitarlas.

Comportamiento Magnético de las Sustancias

Según su comportamiento magnético, las sustancias se clasifican en:

• Diamagnéticas: Permeabilidad relativa < 1. Repelen las líneas de inducción (ej: hidrógeno, nitrógeno, cobre).
• Paramagnéticas: Permeabilidad relativa > 1. Atraen las líneas de inducción (ej: oxígeno, magnesio).
• Ferromagnéticas: Permeabilidad relativa >> 1. Distorsionan las líneas de inducción (ej: hierro, cobalto, níquel). El proceso que describe el comportamiento ferromagnético se conoce como ciclo de Histéresis.

Tipos de Máquinas Eléctricas

Las máquinas eléctricas pueden ser estáticas o rotativas. Las rotativas tienen una parte fija (estator) y una móvil (rotor).

Máquinas Eléctricas Rotativas

Pueden ser de corriente continua o alterna.

• Corriente alterna: Se dividen en máquinas excitadas por corriente continua (síncronas) y máquinas excitadas por corriente alterna (asíncronas o de inducción, y de colector).

Funcionamiento del Motor

Las fuerzas sobre los conductores del rotor crean un par motor que hace girar el eje. El sentido de las corrientes en los conductores bajo polos opuestos debe ser contrario. El número de polos es siempre par, mitad norte y mitad sur.

Potencia y Pérdidas

La potencia de una máquina eléctrica es la energía que desarrolla por unidad de tiempo. La potencia útil es menor que la absorbida debido a pérdidas:

• Pérdidas en el cobre (conductores).
• Pérdidas en el hierro (circuito magnético): por histéresis o corrientes parásitas (Foucault).
• Pérdidas mecánicas: rozamiento (cojinetes, escobillas, aire) y ventilación.

Característica Par-Velocidad

En un generador, el momento de rotación se opone al movimiento del motor o turbina (par resistente).

Fases de Funcionamiento

1. Arranque o puesta en marcha.
2. Aceleración.
3. Régimen nominal.

Inestabilidad y Protecciones

Una máquina eléctrica es inestable si responde a variaciones del régimen nominal reforzando la alteración. El arranque es un momento delicado por la alta intensidad absorbida.

Existen varios tipos de protecciones: abiertas, protegidas contra goteo, protegidas contra goteo y salpicaduras, cerradas y antiexplosivas.