Los transformadores y sus aplicaciones (página 3)

Multiplicando numerador y denominador por "R – Xj" y operando
resulta:

Expresión que permite definir las componentes real e
imaginaria de la admitancia en función de los valores
resistivo, R, y reactivo, X, de la impedancia:

Luego,

A G se la denomina conductancia y a B susceptancia.

Si fueran conocidas las componetes G y B de la admitancia, y a
partir de ellas se quieren determinar los valore de R y X de la
impedancia, puede demostrarse que:

En los análisis de circuitos en paralelo se suele
utilizar la admitancia en lugar de la impedancia para simplificar
los cálculos.

3.7- Conductancia

Se denomina Conductancia eléctrica (G) de un conductor
a la inversa de la oposición que dicho conductor presenta
al movimiento de los electrones en su seno, esto es, a la inversa
de su resistencia eléctrica (R), por lo que:

donde:

G = Conductancia en Siemens
R = Resistencia en Ohmios

La unidad de medida de la conductancia en el Sistema
internacional de unidades es el Siemens.

Este parámetro es especialmente útil a la hora
de tener que manejar valores de resistencia muy
pequeños.

4- Leyes Física
Aplicadas a los Transformadores

4.1-  Ley de inducción
electromagnética de Faraday

La Ley de inducción electromagnética de Faraday
(o simplemente Ley de Faraday) se basa en los experimentos que
Michael Faraday realizó en 1831 y establece que el voltaje
inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la
rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que
atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como
borde:

donde es el campo eléctrico, es
el elemento infinitesimal del contorno C, es
la densidad de campo magnético y S es una
superficie arbitraria, cuyo borde es C. Las direcciones
del contorno C y de están dadas por la regla de la mano
izquierda.

La permutación de la integral de superficie y la
derivada temporal se puede hacer siempre y cuando la superficie
de integración no cambie con el tiempo.

Por medio del teorema de Stokes puede obtenerse una forma
diferencial de esta ley:

ésta es una de las ecuaciones de Maxwell, las cuales
conforman las ecuaciones fundamentales del electromagnetismo. La
ley de Faraday, junto con las otras leyes del electromagnetismo,
fue incorporada en las ecuaciones de Maxwell, unificando
así al electromagnetismo.

En el caso de un inductor con N vueltas de alambre, la
fórmula anterior se transforma en:

donde e es la fuerza electromotriz inducida y
dΦ/dt es la tasa de variación temporal del
flujo magnético Φ. La dirección de la
fuerza electromotriz (el signo negativo en la fórmula) se
debe a la ley de Lenz.

4.2- Ley de Ampére
original

En física del magnetismo, la ley de Ampére,
también conocida como efecto Oersted, relaciona un campo
magnético estático con la causa que la produce, es
decir, una corriente eléctrica estacionaria. Es
análoga a ley de Gauss.

Una corriente eléctrica produce un campo
magnético, siguiendo la Ley de Ampére.

Forma
integral

Dada una superficie abierta S por la que atraviesa una
corriente eléctrica I, y dada la curva C, curva contorno
de la superficie S, la forma original de la ley de Ampére
para medios materiales es:

donde

es
el campo magnético,

es la corriente encerrada en la curva C,

Y se lee: LA CIRCULACION DEL CAMPO a lo largo de la curva C es igual
al flujo de la densidad de corriente sobre la superficie abierta
S, de la cual C es el contorno.

En presencia de un material magnético en el medio,
aparecen campos de magnetización, propios del material,
análogamente a los campos de polarización que
aparecen en el caso electrostático en presencia de un
material dieléctrico en un campo eléctrico.

Definición:

donde

es
la densidad de flujo magnético,

es
la permeabilidad magnética del vacío,

es
la permeabilidad magnética del medio material,

Luego, es la permeabilidad magnética total.

es
el vector magnetización del material debido al campo
magnético.

es
la suceptibilidad magnética del material.

Un caso particular de interés es cuando el medio es el
vacío ( o sea, ):

Forma diferencial

A partir del teorema de Stokes, esta ley también se
puede expresar de forma diferencial:

donde es la densidad de corriente que atraviesa el
conductor.

4.3-Ley de Ampére-Maxwell

La ley de Ampére-Maxwell o ley de Ampére
generalizada es la misma ley corregida por James Clerk Maxwell
debido a la corriente de desplazamiento y creó una
versión generalizada de la ley, incorporándola a
las ecuaciones de Maxwell.

Este término introducido por Maxwell del campo
eléctrico en la superficie.

Forma integral

siendo el último término la corriente de
desplazamiento.

Forma diferencial

Esta ley también se puede expresar de forma
diferencial, para el vacío:

o para medios materiales:

 4.4- La ley de Ohm

La ley de Ohm, define una propiedad específica de
ciertos materiales por la que se cumple la relación:

Un conductor cumple la ley de Ohm sólo si su curva
V–I es lineal; esto es si R es independiente
de V y de I.

Sin embargo, la relación

sigue siendo la definición general de la resistencia de
un conductor, independientemente de si éste cumple o no
con la ley de Ohm.

La intensidad de la corriente eléctrica que circula por
un dispositivo es directamente proporcional a la diferencia de
potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia
del mismo, según expresa la fórmula siguiente:

En donde, empleando unidades del Sistema internacional:

• I = Intensidad en amperios (A)
• V = Diferencia de potencial en voltios (V)
• R = Resistencia en ohmios (Ω).

4.4.1- Enunciado

En un conductor recorrido por una corriente
eléctrica, el cociente entre la diferencia de
potencial aplicada a los extremos del conductor y la intensidad
de la corriente que por él circula, es una cantidad
constante, que depende del conductor, denominada
resistencia.

La ley enunciada verifica la relación entre voltaje y
corriente en un resistor.

4.4.2- Historia

El científico aleman Georg Simon Ohm, mientras
experimentaba con materiales conductores, como resultado de su
investigación, llegó a determinar que la
relación entre voltaje y corriente era constante y
nombró a esta constante resistencia.

Esta ley fue formulada por Georg Simon Ohm en 1827, en la obra
Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet (Trabajos
matemáticos sobre los circuitos eléctricos),
basándose en evidencias empíricas. La
formulación original, es:

Siendo la densidad de la corriente, σ la
conductividad eléctrica y el campo eléctrico, sin
embargo se suele emplear las fórmulas simplificadas
anteriores para el análisis de los circuitos

4.4.3-
Deducción

Esquema de un conductor cilindrico donde se
muestra la aplicación de la Ley de Ohm

Como ya se destacó anteriormente, las evidencias
empíricas mostraban que (vector densidad de corriente) es
directamente proporcional a (vector campo eléctrico).

Para escribir ésta relación en forma de
ecuación, es necesario añadir una constante
arbitraria, que posteriormente se llamó factor de
conductividad eléctrica, que representaremos como σ.
Entonces:

El vector es el vector resultante de los campos que
actúan en la sección de alambre que se va a
analizar; es decir, del campo producido por la carga del alambre
en sí y del campo externo, producido por una
batería, una pila u otra fuente de fem. Por lo tanto:

Ahora, sabemos que , donde
es
un vector unitario de dirección, con lo cual reemplazamos
y multiplicamos toda la ecuación por un :

Los vectores y poseen la misma dirección y sentido, con
lo cual su producto escalar puede expresarse como el producto de
sus magnitudes por el coseno del ángulo formado entre
ellos. Es decir:

Por lo tanto, se hace la sustitución:

Integrando ambos miembros en la longitud del conductor:

El miembro derecho representa el trabajo total de los campos
que actúan en la sección de alambre que se
está analizando, y de cada integral resulta:

y

Donde φ1 − φ2 representa
la diferencia de potencial entre
los puntos 1 y 2, y ξ representa la fem; por
tanto, podemos escribir:

donde U12 representa la caída de
potencial entre los puntos 1 y 2.

Como dijimos anteriormente, σ representa la
conductividad, por lo que su inversa representará la
resistividad, y la representaremos como ρ. Así:

Finalmente, la expresión es lo que se conoce
como resistencia eléctrica

Podemos escribir la expresión final:

4.5- Ley de
Gauss para el campo magnético  

Las líneas de campo magnético
comienzan y terminan en el mismo lugar, por lo que no existe un
monopolo magnético.

Experimentalmente se llegó al resultado de que los
campos magnéticos, a diferencia de los eléctricos,
no comienzan y terminan en cargas diferentes. Esta ley
primordialmente indica que las líneas de los campos
magnéticos deben ser cerradas. En otras palabras, se dice
que sobre una superficie cerrada, sea cual sea ésta, no
seremos capaces de encerrar una fuente o sumidero de campo, esto
expresa la no existencia del monopolo magnético.
Matemáticamente esto se expresa así:

donde es la densidad de flujo magnético,
también llamada inducción magnética.

Su forma integral equivalente:

Como en la forma integral del campo eléctrico, esta
ecuación sólo funciona si la integral está
definida en una superficie cerrada.

5.-
Generadores

Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de
mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos
de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Los
generadores eléctricos son máquinas destinadas a
transformar la energía mecánica en
eléctrica. Esta transformación se consigue por la
acción de un campo magnético sobre los conductores
eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada
también estator). Si mecánicamente se produce un
movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generara
una fuerza electromotriz
(F.E.M.).

Dos principios físicos relacionados entre sí
sirven de base al funcionamiento de los generadores y de los
motores. El primero es el principio de la inducción
descubierto por el científico e inventor británico
Michael Faraday en 1831. Si un conductor se mueve a través
de un campo magnético, o si está situado en las
proximidades de un circuito de conducción fijo cuya
intensidad puede variar, se establece o se induce una corriente
en el conductor. El principio opuesto a éste fue observado
en 1820 por el físico francés André Marie
Ampére. Si una corriente pasaba a través de un
conductor dentro de un campo magnético, éste
ejercía una fuerza mecánica sobre el conductor.

La máquina dinamoeléctrica más sencilla
es la dinamo de disco desarrollada por Faraday, que consiste en
un disco de cobre que se monta de tal forma que la parte del
disco que se encuentra entre el centro y el borde quede situada
entre los polos de un imán de herradura. Cuando el disco
gira, se induce una corriente entre el centro del disco y su
borde debido a la acción del campo del imán. El
disco puede fabricarse para funcionar como un motor mediante la
aplicación de un voltaje entre el borde y el centro del
disco, lo que hace que el disco gire gracias a la fuerza
producida por la reacción magnética.

El campo magnético de un imán permanente es lo
suficientemente fuerte como para hacer funcionar una sola dinamo
pequeña o motor. Por ello, los electroimanes se emplean en
máquinas grandes.

Tanto los motores como los generadores tienen dos unidades
básicas: el campo magnético, que es el
electroimán con sus bobinas, y la armadura, que es la
estructura que sostiene los conductores que cortan el campo
magnético y transporta la corriente inducida en un
generador, o la corriente de excitación en el caso del
motor. La armadura es por lo general un núcleo de hierro
dulce laminado, alrededor del cual se enrollan en bobinas los
cables conductores.

5.1- Clasificación

Se clasifican en dos tipos fundamentales: primarios y
secundarios. Son generadores primarios los que convierten en
energía eléctrica la energía de otra
naturaleza que reciben o de la que disponen inicialmente,
mientras que los secundarios entregan una parte de la
energía eléctrica que han recibido previamente . Se
agruparán los dispositivos concretos conforme al proceso
físico que les sirve de fundamento.

5.1.1-
Generadores primarios

LA Energía mecánica es:

• • Triboelectricidad
  • • Cuerpos frotados
    • Máquinas electrostáticas
  • Piezoelectricidad
• Energía magneto-mecánica:
• • Corriente continua: Dinamo
  • Corriente alterna: Alternador

5.1.2- Generadores ideales

Desde el punto de vista teórico (teoría de
circuitos) se distinguen dos tipos ideales:

• generador de voltaje: un generador de voltaje ideal
  mantiene un voltaje fijo entre sus terminales con independencia
  de la resistencia de la carga que pueda estar conectada entre
  ellos.

• generador de corriente: un generador de corriente ideal
  mantiene una corriente constante por el circuito externo con
  independencia de la resistencia de la carga que pueda estar
  conectada entre ellos.

En la Figura 1 se ve el circuito más simple posible,
constituido por un generador de tensión constante E
conectado a una carga Rc y en donde su cumpliría la
ecuación:

E = I×Rc

El generador descrito no tiene existencia real en la
práctica, ya que siempre posee lo que, convencionalmente,
se ha dado en llamar resistencia interna, que aunque no es
realmente una resistencia, en la mayoría de los casos se
comporta como tal. En la Figura  se puede ver el mismo
circuito anterior, pero donde la resistencia interna del
generador viene representada por una resistencia Ri, en serie con
el generador, con lo que la ecuación anterior se
transforma en:

E = I×(Rc+Ri)

5.2- Generadores de Corriente Continúa

Cuando, por un campo magnético, se desplaza un
conductor se induce sobre él una . Si a
un motor C.C. le hacemos girar el rotor (eje), se estarán
moviendo los arrollados de éste dentro de un campo
magnético (creado por los imanes del motor).

Si una armadura gira entre dos polos de campo fijos, la
corriente en la armadura se mueve en una dirección durante
la mitad de cada revolución, y en la otra dirección
durante la otra mitad. Para producir un flujo constante de
corriente en una dirección, o continua, en un aparato
determinado, es necesario disponer de un medio para invertir el
flujo de corriente fuera del generador una vez durante cada
revolución. En las máquinas antiguas esta
inversión se llevaba a cabo mediante un conmutador, un
anillo de metal partido montado sobre el eje de una armadura. Las
dos mitades del anillo se aislaban entre sí y
servían como bornes de la bobina.

 Las escobillas fijas de metal o de carbón se
mantenían en contra del conmutador, que al girar conectaba
eléctricamente la bobina a los cables externos. Cuando la
armadura giraba, cada escobilla estaba en contacto de forma
alternativa con las mitades del conmutador, cambiando la
posición en el momento en el que la corriente
invertía su dirección dentro de la bobina de la
armadura.

Así se producía un flujo de corriente de una
dirección en el circuito exterior al que el generador
estaba conectado. Los generadores de corriente continua funcionan
normalmente a voltajes bastante bajos para evitar las chispas que
se producen entre las escobillas y el conmutador a voltajes
altos. El potencial más alto desarrollado para este tipo
de generadores suele ser de 1.500 V. En algunas máquinas
más modernas esta inversión se realiza usando
aparatos de potencia electrónica, como por ejemplo
rectificadores de diodo.

Si este motor no está conectado para que funcione como
tal, en sus terminales de alimentación aparecerá la
tensión generada internamente. De esta manera un motor de
C.C. se convierte en un generador de corriente continua.

La tensión de salida de un generador es directamente
proporcional a su velocidad, entonces… es posible saber a que
velocidad gira el generador sólo con medir la
tensión de salida.

El circuito equivalente del generador CC es casi igual al de
un motor CC., solo que en este caso la corriente de
excitación no entra, sino que sale.

En el siguiente gráfico se muestra el circuito
equivalente de un generador de corriente continua

La tensión de salida se obtiene con ayuda de la ley de
tensiones de Kirchoff. Vg = Vb – (Ia x Ra)

 Donde:
– Vb = Fuerza contraelectromotriz del motor (FCEM)
– Ia = Corriente de excitación
– Ra = Resistencia del devanado

Se puede ver que la tensión de salida es igual a la la
FCEM del motor menos la caída de tensión en el
devanado del mismo.

– Si un motor de corriente continua aprovecha, la fuerza que
se produce sobre un conductor, para poder girar, el generador de
CC por el principio recíproco, aprovecha el movimiento de
giro del conductor para que sobre el (el conductor) se induzca
una tensión.

– En un motor, la corriente que circula por un conductor del
motor hace que este se mueva. En un generador, cuando un
conductor se mueve se produce sobre el, la circulación de
una corriente eléctrica

Si el generador no está cargado (no hay nada conectado
la los terminales de salida), Ia es casi cero (0). La
tensión de salida Vg y la tensión Vg (fuerza
electromotriz del motor) son iguales, debido a que no hay
caída en la resistencia Ra. er ecuación
anterior.

La velocidad del generador será: Vb/K rpm (revoluciones
por minuto)

donde:
– K = constante de FCEM
– Vb = Fuerza contraelectromotriz del motor (FCEM)

Los generadores modernos de corriente continua utilizan
armaduras de tambor, que suelen estar formadas por un gran
número de bobinas agrupadas en hendiduras longitudinales
dentro del núcleo de la armadura y conectadas a los
segmentos adecuados de un conmutador múltiple. Si una
armadura tiene un solo circuito de cable, la corriente que se
produce aumentará y disminuirá dependiendo de la
parte del campo magnético a través del cual se
esté moviendo el circuito.

Un conmutador de varios segmentos usado con una armadura de
tambor conecta siempre el circuito externo a uno de cable que se
mueve a través de un área de alta intensidad del
campo, y como resultado la corriente que suministran las bobinas
de la armadura es prácticamente constante.

Los campos de los generadores modernos se equipan con cuatro o
más polos electromagnéticos que aumentan el
tamaño y la resistencia del campo magnético. En
algunos casos, se añaden interpolos más
pequeños para compensar las distorsiones que causa el
efecto magnético de la armadura en el flujo
eléctrico del campo.

Los generadores de corriente continua se clasifican
según el método que usan para proporcionar
corriente de campo que excite los imanes del mismo. Un generador
de excitado en serie tiene su campo en serie respecto a la
armadura. Un generador de excitado en derivación, tiene su
campo conectado en paralelo a la armadura. Un generador de
excitado combinado tiene parte de sus campos conectados en serie
y parte en paralelo. Los dos últimos tipos de generadores
tienen la ventaja de suministrar un voltaje relativamente
constante, bajo cargas eléctricas variables. El de
excitado en serie se usa sobre todo para suministrar una
corriente constante a voltaje variable. Un magneto es un
generador pequeño de corriente continua con un campo
magnético permanente.

5.3- Generadores de Corriente Alterna 

Si se toma un motor AC y se hace girar mecánicamente su
eje, este motor se comportará como un generador AC
(generador de corriente alterna)

El funcionamiento de un generador de corriente alterna se basa
en:

– Cuando se coloca una bobina en un campo magnético
variable se genera en la bobina una tensión que hace que
por esta circule una corriente.

– Cuando el campo magnético aumenta, su velocidad de
variación aumenta la frecuencia y la tensión de la
señal que se genera.

Como se decía antes, un generador simple sin conmutador
producirá una corriente eléctrica que cambia de
dirección a medida que gira la armadura. Este tipo de
corriente alterna es ventajosa para la transmisión de
potencia eléctrica, por lo que la mayoría de los
generadores eléctricos son de este tipo.

En su forma más simple, un generador de corriente
alterna se diferencia de uno de corriente continua en sólo
dos aspectos: los extremos de la bobina de su armadura
están sacados a los anillos colectores sólidos sin
segmentos del árbol del generador en lugar de los
conmutadores, y las bobinas de campo se excitan mediante una
fuente externa de corriente continua más que con el
generador en sí.

Los generadores de corriente alterna de baja velocidad se
fabrican con hasta 100 polos, para mejorar su eficiencia y para
lograr con más fácilidad la frecuencia deseada. Los
alternadores accionados por turbinas de alta velocidad, sin
embargo, son a menudo máquinas de dos polos. La frecuencia
de la corriente que suministra un generador de corriente alterna
es igual a la mitad del producto del número de polos y el
número de revoluciones por segundo de la armadura.

A veces, es preferible generar un voltaje tan alto como sea
posible. Las armaduras rotatorias no son prácticas en este
tipo de aplicaciones, debido a que pueden producirse chispas
entre las escobillas y los anillos colectores, y a que pueden
producirse fallos mecánicos que podrían causar
cortocircuitos. Por tanto, los alternadores se construyen con una
armadura fija en la que gira un rotor compuesto de un
número de imanes de campo. El principio de funcionamiento
es el mismo que el del generador de corriente alterna descrito
con anterioridad, excepto en que el campo magnético (en
lugar de los conductores de la armadura) está en
movimiento.

La corriente que se genera mediante los alternadores descritos
más arriba, aumenta hasta un pico, cae hasta cero,
desciende hasta un pico negativo y sube otra vez a cero varias
veces por segundo, dependiendo de la frecuencia para la que
esté diseñada la máquina. Este tipo de
corriente se conoce como corriente alterna monofásica. Sin
embargo, si la armadura la componen dos bobinas, montadas a
90º una de otra, y con conexiones externas separadas, se
producirán dos ondas de corriente, una de las cuales
estará en su máximo cuando la otra sea cero.

Este tipo de corriente se denomina corriente alterna
bifásica. Si se agrupan tres bobinas de armadura en
ángulos de 120º, se producirá corriente en
forma de onda triple, conocida como corriente alterna
trifásica. Se puede obtener un número mayor de
fases incrementando el número de bobinas en la armadura,
pero en la práctica de la ingeniería
eléctrica moderna se usa sobre todo la corriente alterna
trifásica, con el alternador trifásico, que es la
máquina dinamoeléctrica que se emplea normalmente
para generar potencia eléctrica.

5.3.1- Frecuencia,
velocidad y amplitud de salida de un generador AC

Al hacer girar mecánicamente el eje del
generador, la
frecuencia y la tensión de la
señal de salida, aumentan proporcionalmente con la
velocidad de giro del eje. La relación que existe entre la
velocidad de giro del eje y la frecuencia de la señal
generada está dada por la siguiente relación:

Ns = 60 x f / p

donde:
f = frecuencia en Hertz (Hz)
p = número de polos del generador (motor)

Basta sólo medir la frecuencia
de la señal generada y se puede obtener la
velocidad

La frecuencia de la señal senoidal generada, se obtiene
con la siguiente fórmula:

f (hz) = Ns x p / 60

donde:
Ns = velocidad del motor sincrónico en r.p.m.
(revoluciones por minuto)
p = número de pares de polos del motor

La amplitud de la señal
generada por un generador AC se obtiene con la
siguiente fórmula:

V (voltios) = K x Ns

donde:
K = Constante del motor en V / rpm
Ns = Velocidad del motor sincrónico

5.4- Dinamo

Una dinamo o dínamo es un generador eléctrico
destinado a la transformación de energía
mecánica en eléctrica mediante el fenómeno
de la inducción electromagnética.

La corriente generada es producida cuando el campo
magnético creado por un imán o un
electroimán fijo (inductor) atraviesa una bobina rotatoria
(inducido) colocada en su seno. La corriente inducida en esta
bobina giratoria, en principio alterna es transformada en
contínua mediante la acción de un conmutador
giratorio, solidario con el inducido, denominado colector,
constituido por unos electrodos denominados delgas, de
aquí es conducida al exterior mediante otros contactos
fijos llamados escobillas. que hacen contacto por frotamiento con
las delgas del colector.

5.4.1- Historia

Durante 1831 y 1832, Michael Faraday descubrió que un
conductor eléctrico moviéndose perpendicularmente a
un campo magnético generaba una diferencia de potencial.
Aprovechando esto, construyó el primer generador
electromagnético, el disco de Faraday, un generador
homopolar, empleando un disco de cobre que giraba entre los
extremos de un imán con forma de herradura,
generándose una pequeña corriente continua.
También fue utilizado como generador de energía en
una bicicleta para producir luz de poca intensidad.

Disco de Faraday.

5.4.2- Primeros
modelos

El dinamo fue el primer generador eléctrico apto para
su uso industrial. Emplea principios electromagnéticos
para convertir la energía de rotación
mecánica en corriente continua. El primer dinamo, basado
en los principios de Faraday, fue construido en 1832 por el
fabricante francés de herramientas Hipólito Pixii.
Empleaba un imán permanente que giraba por medio de una
manivela.

Este imán estaba colocado de forma que sus polos norte
y sur pasaban al girar junto a un núcleo de hierro con un
cable eléctrico enrollado (como un núcleo y una
bobina). Pixii descubrió que el imán giratorio
producía un pulso de corriente en el cable cada vez que
uno de los polos pasaba junto a la bobina; cada polo
inducía una corriente en sentido contrario, esto es, una
corriente alterna. Añadiendo al esquema un conmutador
eléctrico situado en el mismo eje de giro del imán,
Pixii convirtió la corriente alterna en corriente
continua.

Uno de los principales usos del dinamo es la
utilización de la energía eólica, de esta
forma el viento hace rotar las aspas conectadas al eje del
dinamo, produciendo electricidad y aprovechando esta fuente de
energía inagotable.

El dinamo de Gramme

Los diseños de Faraday y Pixii sufrían el mismo
problema: inducían picos repentinos de corriente
sólo cuando los polos N o S del imán pasaban cerca
de la bobina; la mayor parte del tiempo no generaban nada.

Antonio Pacinotti, un científico italiano,
resolvió esto reemplazando la bobina giratoria por una de
forma toroidal, enroscada en un trozo de hierro con forma de
anillo. Así, siempre había parte de la bobina
influida magnéticamente por los imanes, suavizando la
corriente.

Posteriormente Zénobe Gramme reinventó el
diseño al proyectar los primeros generadores comerciales a
gran escala, que operaban en París en torno a 1870. Su
diseño se conoce como la dinamo de Gramme.

A partir de entonces se han realizado nuevas versiones con
mejoras, pero el concepto básico de bucle giratorio sin
fin permanece en todas las dinamos modernas.

El dinamo en
el automóvil

Uno de los usos más corrientes que se le dio a la
dinamo fue el de generador de energía eléctrica
para el automóvil. A medida que, desde principios del
siglo XX, los automóviles se iban haciendo más
complejos, se demostró que los sistemas de
generación de energía eléctrica con los que
se contaba no eran lo suficientemente potentes para las
necesidades del vehículo. Esta circunstancia
favoreció la implantación paulatina de la dinamo en
el mismo.

Aunque se trataba de un elemento que proporcionaba la
energía necesaria con relativamente poco peso, presentaba
ciertos problemas. El más importante era que la velocidad
de rotación que se le suministraba nunca era constante
(las revoluciones del motor están continuamente variando)
con lo cual tenía que ser capaz de suministrar la misma
corriente en ralentí (movimiento lento) que cuando el
motor estaba a pleno rendimiento.

Esto se solucionó con los reguladores que, aunque son
sencillos en su diseño, requieren de un reglaje muy
delicado. Estos dispositivos debían ser capaces de regular
el voltaje y la intensidad. Además debería evitar
que la dinamo funcionara como un motor eléctrico cuando el
vehículo estuviera al ralentí, que es cuando
prácticamente no produce energía, para que el flujo
de corriente no se invirtiera.

Dado que las dinamos tienen un diseño muy parecido al
de los motores eléctricos, en el automóvil llegaban
a funcionar como tales cuando se invertía el flujo de
corriente al ser mayor el potencial que suministraba la
batería que el potencial que suministraba la dinamo.

6- Motor
Eléctrico

Un motor es una máquina capaz de transformar la
energía almacenada en combustibles, baterías u
otras fuentes, en energía mecánica capaz de
realizar un trabajo. En los automóviles este efecto es una
fuerza que produce el movimiento.

Existen diversos tipos, siendo común clasificarlos
en:

• motores térmicos, cuando el trabajo se obtiene a
  partir de algunas diferencias de temperatura.
• motores eléctricos, cuando el trabajo se obtiene a
  partir de una corriente eléctrica.
• motores de combustión interna, cuando el trabajo se
  obtiene de combustibles, como el petróleo, el alcohol, y
  aceites naturales como el de maíz (Biodiesel).

En los aerogeneradores, las centrales hidroeléctricas o
los reactores nucleares también se transforma algún
tipo de energía en otro. Sin embargo, la palabra
motor se reserva para los casos en los cuales el resultado
inmediato es energía mecánica.

6.1- Motores Eléctricos

Un motor eléctrico es una máquina
eléctrica que transforma energía eléctrica
en energía mecánica por medio de interacciones
electromagnéticas. Algunos de los motores
eléctricos son reversibles, es decir, pueden transformar
energía mecánica en energía electrica
funcionando como generadores. Los motores eléctricos de
tracción usados en locomotoras realizan a menudo ambas
tareas, si se los equipa con frenos regenerativos.

Motor Eléctrico

Son ampliamente utilizados en instalaciones industriales,
comerciales y de particulares. Pueden funcionar conectados a una
red de suministro eléctrico o a baterías. Una
batería de varios kilogramos equivale a la que contienen
80 g de gasolina. Así, en automóviles se
están empezando a utilizar en vehículos
híbridos para aprovechar las ventajas de ambos.

6.2-
Clasificación según el elemento que le aporta
energía a los motores

• Aquellos que obtienen la energía de fluidos
  (Eólicos, hidráulicos, de aire comprimido,
  térmicos, etc)
• Aquellos que obtienen la energía de
  sólidos
• Aquellos que obtienen la energía de formas
  especiales (eléctricos)

6.3- Principios de Funcionamiento

Los motores de corriente alterna y los motores de corriente
directa se basan en el mismo principio de funcionamiento, el
cuál establece que si un conductor por el cual circula una
corriente eléctrica se encuentra dentro de la
acción de un campo magnético, éste tiende a
desplazarse perpendicularmente a las líneas de
acción del campo magnético.

El conductor tiende a funcionar como un electroimán
debido a la corriente eléctrica que circula por el mismo
adquiriendo de esta manera propiedades magnéticas, que
provocan, debido a la interacción con los polos ubicados
en el estator, el movimiento circular que se observa en el rotor
del motor.

Partiendo del hecho que cuando pasa corriente eléctrica
por un conductor se produce un campo magnético,
además si lo ponemos dentro de la acción de un
campo magnético potente, el producto de la
interacción de ambos campos magnéticos hace que el
conductor tienda a desplazarse produciendo así la
energía mecánica. Dicha energía es
comunicada al exterior mediante un dispositivo llamado
flecha.

6.4- Motores de Corriente Alterna

Se denomina motor de corriente alterna a aquellos motores
eléctricos que funcionan con corriente alterna. Un motor
es una máquina motriz, esto es, un aparato que convierte
una forma determinada de energía en energía
mecánica de rotación o par. Un motor
eléctrico convierte la energía eléctrica en
fuerzas de giro por medio de la acción mutua de los campos
magnéticos.

Un generador eléctrico, por otra parte, transforma
energía mecánica de rotación en
energía eléctrica y se le puede llamar una
máquina generatriz de fem. Las dos formas básicas
son el generador de corriente continua y el generador de
corriente alterna, este último más correctamente
llamado alternador.

Todos los generadores necesitan una máquina motriz
(motor) de algún tipo para producir la fuerza de
rotación, por medio de la cual un conductor puede cortar
las líneas de fuerza magnéticas y producir una fem.
La máquina más simple de los motores y generadores
es el alternador.

En algunos casos, tales como barcos, donde la fuente principal
de energía es de corriente continua, o donde se desea un
gran margen, pueden emplearse motores de c-c. Sin embargo, La
mayoría de los motores modernos trabajan con fuentes de
corriente alterna.
         

Existe una gran variedad de motores de c-a, entre ellos tres
tipos básicos: el universal, el síncrono y el de
jaula de ardilla.

6.4.1- Los motores de C.A. se clasifican de la siguiente
manera:

Asíncrono o de inducción

Los motores asíncronos o de inducción son
aquellos motores eléctricos en los que el rotor nunca
llega a girar en la misma frecuencia con la que lo hace el campo
magnético del estator. Cuanto mayor es el par motor mayor
es esta diferencia de frecuencias.

Jaula de ardilla

Fundición de aluminio de una jaula de ardilla-Envuelto
en hojalata (con una pieza cilíndrica en el medio) en un
motor con polos en una hendidura. Las varillas de aluminio de la
jaula pasan por el interior. En los laterales del frontal
están las aletas de la ventilación adicional,
fundidas junto con en el conjunto. El devanado superior y el
cojinete del motor están
ocultos.

Monofásicos

• Motor de arranque a resistencia.
• Motor de arranque a condensador.
• Motor de marcha.
• Motor de doble capacitor.
• Motor de polos sombreados.

Trifásicos

• Motor de Inducción.

A tres fases

Rotor Devanado
Monofásicos

• Motor universal
• Motor de Inducción-Repulsión.

Trifásicos

• Motor de rotor devanado.
• Motor Asincrono
• Motor Sincrono

Síncrono

En este tipo de motores y en condiciones normales, el rotor
gira a las mismas revoluciones que lo hace el campo
magnético del estator.

Trifásicos

• Motor de rotor derivado de los motores de avíones
  jet.

Motores universales

Los motores universales trabajan con voltajes de corriente
continua o corriente alterna. Tal motor, llamado universal, se
utiliza en sierra eléctrica, taladro, utensilios de
cocina, ventiladores, sopladores, batidoras y otras aplicaciones
donde se requiere gran velocidad con cargas débiles o
pequeña velocidad. Estos motores para corriente alterna y
directa, incluyendo los universales se distinguen por su
conmutador devanado y las escobillas.

Los componentes de este motor son: Los campos (estator), la
masa (rotor), las escobillas (los excitadores) y las tapas (las
cubiertas laterales del motor). El circuito eléctrico es
muy simple, tiene solamente una vía para el paso de la
corriente, porque el circuito está conectado en serie. Su
potencial es mayor por tener mayor flexibilidad en vencer la
inercia cuando está en reposo, o sea, tiene un torque
excelente, pero tiene una dificultad, y es que no está
construido para uso continuo o permanente.

Otra dificultad de los motores universales, en lo que a radio
se refiere, son las chispas del colector (chisporroteos) y las
interferencias de radio que ello lleva consigo o ruido. Esto se
puede reducir por medio de los condensadores de paso, de 0,001
μF a 0,01 μF, conectados de las escobillas a la carcasa del
motor y conectando ésta a masa.Estos motores tienen la
ventaja que alcanzan grandes velocidades pero con poca
fuerza.

Motores síncronos

Implicando, se puede utilizar un alternador como motor en
determinadas circunstancias. Si se excita el campo con c-c y se
alimenta por los anillos colectores a la bobina del rotor con
c-a, la máquina no arrancará. El campo alrededor de
la bobina del rotor es alterno en polaridad magnética pero
durante un semiperiodo del ciclo completo, intentará
moverse en una dirección y durante el siguiente
semiperiodo en la dirección opuesta. El resultado es que
la máquina permanece parada. La máquina solamente
se calentará y posiblemente se quemará.

Para generar el campo magnético del rotor, se
suministra una CC al devanado del campo; esto se realiza
frecuentemente por medio de una excitatriz, la cual consta de un
pequeño generador de CC impulsado por el motor, conectado
mecánicamente a él. Se mencionó
anteriormente que para obtener un par constante en un motor
eléctrico, es necesario mantener los campos
magnéticos del rotor y del estator constantes el uno con
relación al otro. Esto significa que el campo que rota
electromagnéticamente en el estator y el campo que rota
mecánicamente en el rotor se deben alinear todo el
tiempo.

La única condición para que esto ocurra consiste
en que ambos campos roten a la velocidad sincrónica:

Es decir, son motores de velocidad constante.

Para una máquina sincrónica de polos no
salientes (rotor cilíndrico), el par se puede escribir en
términos de la corriente alterna del estator,
is(t), y de la corriente continua del
rotor, if:

donde γ es el ángulo entre los
campos del estator y del rotor

El rotor de un alternador de dos polos debe hacer una vuelta
completa para producir un ciclo de c-a. Debe girar 60 veces por
segundo (si la frecuencia fuera de 60 Hz), o 3.600 revoluciones
por minuto (rpm), para producir una c-a de 60 Hz. Si se puede
girar a 3.600 rpm tal alternador por medio de algún
aparato mecánico, como por ejemplo, un motor de c-c, y
luego se excita el inducido con una c-a de 60 Hz,
continuará girando como un motor síncrono.

Su velocidad de sincronismo es 3.600 rpm. Si funciona con una
c-a de 50 Hz, su velocidad de sincronismo será de 3.000
rpm. Mientras la carga no sea demasiado pesada, un motor
síncrono gira a su velocidad de sincronismo y solo a esta
velocidad. Si la carga llega a ser demasiado grande, el motor va
disminuyendo velocidad, pierde su sincronismo y se para. Los
motores síncronos de este tipo requieren todos una
excitación de c-c para el campo (o rotor), así como
una excitación de c-a para el estator.

Se puede fabricar un motor síncrono construyendo el
rotor cilíndrico normal de un motor tipo jaula de ardilla
con dos lados planos. Un ejemplo de motor síncrono es el
reloj eléctrico, que debe arrancarse a mano cuando se
para.

 En cuanto se mantiene la c-a en su frecuencia correcta,
el reloj marca el tiempo exacto. No es importante la
precisión en la amplitud de la
tensión.

Motores de jaula de ardilla

La mayor parte de los motores que funcionan con c-a de una
sola fase tienen el rotor de tipo jaula de ardilla. Los rotores
de jaula de ardilla reales son mucho más compactos y
tienen un núcleo de hierro laminado.

Los conductores longitudinales de la jaula de ardilla son de
cobre y van soldados a las piezas terminales de metal. Cada
conductor forma una espira con el conductor opuesto conectado por
las dos piezas circulares de los extremos.

Cuando este rotor está entre dos polos de campos
electromagnéticos que han sido magnetizados por una
corriente alterna, se induce una fem en las espiras de la jaula
de ardilla, una corriente muy grande las recorre y se produce un
fuerte campo que contrarresta al que ha producido la corriente
(ley de Lenz). Aunque el rotor pueda contrarrestar el campo de
los polos estacionarios, no hay razón para que se mueva en
una dirección u otra y así permanece parado. Es
similar al motor síncrono el cual tampoco se arranca solo.
Lo que se necesita es un campo rotatorio en lugar de un campo
alterno.

Cuando el campo se produce para que tenga un efecto rotatorio,
el motor se llama de tipo de jaula de ardilla. Un motor de fase
partida utiliza polos de campo adicionales que están
alimentados por corrientes en distinta fase, lo que permite a los
dos juegos de polos tener máximos de corriente y de campos
magnéticos con muy poca diferencia de tiempo. Los
arrollamientos de los polos de campo de fases distintas, se
deberían alimentar por c-a bifásicas y producir un
campo magnético rotatorio, pero cuando se trabaja con una
sola fase, la segunda se consigue normalmente conectando un
condensador (o resistencia) en serie con los arrollamientos de
fases distintas.

Con ello se puede desplazar la fase en más de 20° y
producir un campo magnético máximo en el devanado
desfasado que se adelanta sobre el campo magnético del
devanado principal.

Desplazamiento real del máximo de intensidad del campo
magnético desde un polo al siguiente, atrae al rotor de
jaula de ardilla con sus corrientes y campos inducidos,
haciéndole girar. Esto hace que el motor se arranque por
sí mismo.

El devanado de fase partida puede quedar en el circuito o
puede ser desconectado por medio de un conmutador
centrífugo que le desconecta cuando el motor alcanza una
velocidad predeterminada. Una vez que el motor arranca, funciona
mejor sin el devanado de fase partida. De hecho, el rotor de un
motor de inducción de fase partida siempre se desliza
produciendo un pequeño porcentaje de reducción de
la que sería la velocidad de sincronismo.

Si la velocidad de sincronismo fuera 1.800 rpm, el rotor de
jaula de ardilla, con una cierta carga, podría girar a
1.750 rpm. Cuanto más grande sea la carga en el motor,
más se desliza el rotor. En condiciones óptimas de
funcionamiento un motor de fase partida con los polos en fase
desconectados, puede funcionar con un rendimiento aproximado del
75%.

Otro modo de producir un campo rotatorio en un motor, consiste
en sombrear el campo magnético de los polos de campo. Esto
se consigue haciendo una ranura en los polos de campo y colocando
un anillo de cobre alrededor de una de las partes del polo.

Mientras la corriente en la bobina de campo está en la
parte creciente de la alternancia, el campo magnético
aumenta e induce una fem y una corriente en el anillo de cobre.
Esto produce un campo magnético alrededor del anillo que
contrarresta el magnetismo en la parte del polo donde se halla
él.

En este momento se tiene un campo magnético
máximo en la parte de polo no sombreada y un mínimo
en la parte sombreada. En cuanto la corriente de campo alcanza un
máximo, el campo magnético ya no varía y no
se induce corriente en el anillo de cobre. Entonces se desarrolla
un campo magnético máximo en todo el polo. Mientras
la corriente está decreciendo en amplitud el campo
disminuye y produce un campo máximo en la parte sombreada
del polo.

De esta forma el campo magnético máximo se
desplaza de la parte no sombreada a la sombreada de los polos de
campo mientras avanza el ciclo de corriente. Este movimiento del
máximo de campo produce en el motor el campo rotatorio
necesario para que el rotor de jaula de ardilla se arranque
solo.

El rendimiento de los motores de polos de inducción
sombreados no es alto, varía del 30 al 50 por 100. Una de
las principales ventajas de todos los motores de jaula de
ardilla, particularmente en aplicaciones de radio, es la falta de
colector o de anillos colectores y escobillas. Esto asegura el
funcionamiento libre de interferencias cuando se utilizan tales
motores. Estos motores también son utilizados en la
industria.El mantenimiento que se hace a estos motores es
facil.

6.5- Motor de Corriente Continua

El motor de corriente continua es una máquina que
convierte la energía eléctrica en mecánica,
principalmente mediante el movimiento rotatorio. En la actualidad
existen nuevas aplicaciones con motores eléctricos que no
producen movimiento rotatorio, sino que con algunas
modificaciones, ejercen tracción sobre un riel. Estos
motores se conocen como motores lineales.

Esta máquina de corriente continua es una de las
más versátiles en la industria. Su fácil
control de posición, par y velocidad la han convertido en
una de las mejores opciones en aplicaciones de control y
automatización de procesos. Pero con la llegada de la
electrónica su uso ha disminuido en gran medida, pues los
motores de corriente alterna, del tipo asíncrono, pueden
ser controlados de igual forma a precios más accesibles
para el consumidor medio de la industria. A pesar de esto los
motores de corriente continua se siguen utilizando en muchas
aplicaciones de potencia (trenes y tranvías) o de
precisión (máquinas, micro motores, etc.)

La principal característica del motor de corriente
continua es la posibilidad de regular la velocidad desde
vacío a plena carga.

Una máquina de corriente continua (generador o motor)
se compone principalmente de dos partes, un estator que da
soporte mecánico al aparato y tiene un hueco en el centro
generalmente de forma cilíndrica. En el estator
además se encuentran los polos, que pueden ser de imanes
permanentes o devanados con hilo de cobre sobre núcleo de
hierro. El rotor es generalmente de forma cilíndrica,
también devanado y con núcleo, al que llega la
corriente mediante dos escobillas.