MÁQUINAS ELÉCTRICAS

Una máquina eléctrica es un dispositivo que transforma la energía cinética en

otra energía, o bien, en energía potencial pero con una presentación distinta,

pasando esta energía por una etapa de almacenamiento en un campo

magnético. Se clasifican en tres grandes

grupos: generadores, motores y transformadores.

Los generadores transforman energía mecánica en eléctrica, mientras que los

motores transforman la energía eléctrica en mecánica haciendo girar un eje. El

motor se puede clasificar enmotor de corriente continua o motor de corriente

alterna. Los transformadores y convertidores conservan la forma de la energía

pero transforman sus características. Una máquina eléctrica tiene un circuito

magnético y dos circuitos eléctricos. Normalmente uno de los circuitos

eléctricos se llama excitación, porque al ser recorrido por una corriente eléctrica

produce los amperivueltas necesarios para crear el flujo establecido en el

conjunto de la máquina.

Desde una visión mecánica, las máquinas eléctricas se pueden clasificar en

rotativas y estáticas. Las máquinas rotativas están provistas de partes

giratorias, como las dinamos, alternadores, motores. Las máquinas estáticas no

disponen de partes móviles, como los transformadores. En las máquinas

rotativas hay una parte fija llamada estátor y una parte móvil llamada rotor.

Normalmente el rotor gira en el interior del estátor. Al espacio de aire existente

entre ambos se le denomina entrehierro. Los motores y generadores eléctricos

son el ejemplo más simple de una máquina rotativa.

CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS

1. POR USOS:

A. Generadores.- Transforman la energía mecánica en eléctrica. Se

instalan en las centrales eléctricas (CC.EE.) y en los diferentes equipos

de transporte como autos, aviones, barcos, etc. En las CC.EE. los

generadores son accionados mecánicamente mediante turbinas que

pueden ser a vapor o hidráulicas; en los equipos de transporte mediante

motores de combustión interna o turbinas a vapor. En una serie de

casos los generadores se usan como fuente de energía para equipos de

comunicaciones, dispositivos automáticos, de medición, etc.

B. Motores.- Son equipos eléctricos que transforman la energía eléctrica

en energía mecánica; sirven para accionar diferentes máquinas,

mecanismos y dispositivos que son usados en la industria, agricultura,

comunicaciones, y en los artefactos electrodomésticos. En los sistemas

modernos de control los motores se usan en calidad de dispositivos

gobernadores, de control, como reguladores y/o programables.

C. Convertidores electromecánicos.- Transforman la c.a. en c.c. y

viceversa, variando la magnitud de tensión (V), tanto de c.a. como c.c.,

frecuencia (f), número de fases y otros. Se usan ampliamente en la

industria aunque en las últimas décadas ha disminuido su demanda

debido al uso de los conversores semiconductores (dispositivos

electrónicos de potencia).

D. Compensadores electromecánicos.- Generan o absorben potencia

reactiva (Q) en los sistemas eléctricos de potencia para mejorar los

índices energéticos (el factor de potencia ϕ, niveles de tensión) en las

interconexiones y los centros de carga.

E. Amplificadores electromecánicos.- Se usan para el control de equipos

de gran potencia, mediante señales eléctricas de pequeña potencia, que

son transmitidos a los devanados de excitación (control). Su uso también

ha disminuido.

F. Convertidores electromecánicos de señales.- Generan, transforman y

amplifican diferentes señales. Se diseñan y proyectan en forma de

micromotores y lo usan ampliamente diferentes equipos de control.

2. POR TIPO DE CORRIENTE Y POR SU FUNCIONAMIENTO

Por el tipo de corriente se dividen en máquinas de c.a. y de c.c. Las máquinas

en dependencia de su funcionamiento y de su sistema magnético (núcleo) se

dividen en transformadores, máquinas de inducción, máquinas síncronas y

máquinas colectoras.

A. Transformadores.- Se usan ampliamente para la variación de tensión.

En los sistemas de transmisión, distribución y utilización, en los

rectificadores de corriente, en la automática y la electrónica.

B. Máquina de inducción.- Se usan como motores trifásicos, habiendo

también monofásicos. La simpleza de su diseño y su alta confiabilidad

permiten su uso en diferentes campos de la ingeniería. En los sistemas

de regulación automática. (SRA) se usan ampliamente motores de

control mono y bifásico, taco generadores así también como selsynes.

C. Máquinas síncronas.- Se usan como generadores de c.a. de frecuencia

industrial (50 ó 60 Hz) en las CC. EE., así como generadores de alta

frecuencia (en los barcos, aviones, etc.). En los sistemas de mando

eléctrico de gran potencia se usan motores síncronos. En los

dispositivos automáticos se usan máquinas síncronos de histerésis, con

imanes permanentes, de paso y otros.

D. Máquinas colectoras.- Se usan muy rara vez y sólo como motores.

Tienen un diseño complejo y exigen muy buen mantenimiento.

E. Máquina de C.C..- Se usan como generadores y motores en los

sistemas de mando eléctrico que requieran flexibilidad en la regulación

de velocidad: en los ferrocarriles, en el transporte marítimo, en

laminadores, en grúas; también en casos cuando la fuente de energía

eléctrica son baterías acumuladoras.

Los generadores de c.c. frecuentemente se usan para el suministro de energía

a dispositivos de comunicaciones, el transporte (aviones, trenes, buques), para

cargar baterías. Sin embargo ahora son reemplazados por generadores de c.a.,

que funcionan conjuntamente con rectificadores de estado sólido

(semiconductores).

3. POR NIVEL DE POTENCIA

En función a la potencia que absorben o generan las máquinas, se dividen en

micro máquinas, motores de pequeña, media y gran potencia.

- Micro máquinas.- Cuya potencia varía de décimas de watt hasta 500 w.

Estas máquinas trabajan tanto en C.A. como en C.C., así como a altas

frecuencias (400 - 200 Hz).

- De pequeña potencia.-. 0.5 - 10 kW. Funcionan tanto en c.a. como en c.c. y,

en frecuencia normal (50 - 60 Hz ó más).

- De potencia media.- 10 kW hasta varios cientos de kW.

- De gran potencia.- Mayor de 100 kW. Por lo general las máquinas de media

y gran potencia funcionan a frecuencia industrial.

4. POR FRECUENCIA DE GIRO (VELOCIDAD)

Se dividen en:

De baja velocidad: con velocidad menor de 300 r.p.m.;

De velocidad media: (300 - 1500 r.p.m.);

De altas velocidades: (1500 - 6000 r.p.m.);

De extra altas velocidades: (mayor de 6000 r.p.m.).

Las micro máquinas se diseñan para velocidades de algunos r.p.m. hasta 6000

r.p.m.

CARACTERÍSTICAS NOMINALES DE LAS MÁQUINAS

ELÉCTRICAS

Cada máquina tiene una placa adherida a su carcaza. En esta placa se

indican el tipo, sus características con sus principales índices

energéticos y sus condiciones de funcionamiento para los cuales ha sido

diseñados.

Son datos nominales o características: La potencia, tensión, corriente,

velocidad, frecuencia de C.A., rendimiento (performance), número de

fases, factor de potencia y régimen de funcionamiento (para carga

permanente, carga tipo sierra, carga de emergencia). Además, en la

placa figura: Nombre del fabricante, año de fabricación, clase de

aislamiento, también datos complementarios necesarios para la

instalación y mantenimiento (peso, conexión trifásica, otros).

El término “nominal” se puede usar también para referirse a magnitudes no

señaladas en la placa, pero que corresponden al régimen nominal de

funcionamiento, por ejemplo par nominal, deslizamiento.

POTENCIA NOMINAL DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS

Potencia nominal es aquella potencia para la cual está diseñada la máquina,

teniendo en cuenta su temperatura y el trabajo continuo durante su tiempo de

uso (funcionamiento).

Se entiende por potencia nominal:

Para el motor.- potencia mecánica en el árbol (eje, rotor), W ó kW;

Para generador c.c.- potencia eléctrica en los bornes (terminales), W ó

kW;

Para generador de c.a.- potencia aparente en los bornes, VA ó kVA.

Las máquinas pueden funcionar también en condiciones no nominales

(sobrecarga y subcarga, potencia superior o inferior a la nominal, tensión y

corriente diferentes del nominal), en estas condiciones los índices energéticos

también son diferentes del nominal. Frecuentemente, ante cargas inferiores a la

nominal, el rendimiento y el factor de potencia son menores que sus valores

nominales; ante cargas superiores a la nominal surge el peligro de una elevada

temperatura en diferentes partes de la máquina, principalmente en los

devanados, lo cual puede tener efecto en el deterioro de su aislamiento o de la

máquina en su conjunto. La temperatura máxima permisible en los devanados

depende de las propiedades del aislamiento usado (de su tipo) y del tiempo de

funcionamiento de la máquina y fluctúa entre los 105 y 180º C.

En los estándares para máquinas se incluyen otras normas que determinan las

sobrecargas permitidas y las pruebas a que son sometidas los elementos de su

estructura, también las condiciones de su funcionamiento.

Las máquinas de c.a. por regla general están diseñadas para funcionar con

tensión senoidal y simetría en las fases. Las máquinas que trabajan acopladas

eléctricamente con dispositivos rectificadores generalmente tienen una forma

de tensión y corriente diferente a la senoidal originando la presencia de

armónicos en la red, lo que origina pérdidas complementarias de energía lo

cual hace que se eleve la temperatura de los devanados y del núcleo.

TRANSFORMADORES

El transformador es un dispositivo estático de tipo electromagnético que tiene

dos o más devanados acoplados por un campo magnético mutuo (núcleo) y se

usa para convertir uno o varios sistemas de c.a. en otro u otros sistemas de

c.a. de tensión diferente.

La aplicación de los transformadores permite elevar o bajar la tensión, variar el

número de fases y en algunos casos incluso variar la frecuencia de la c.a. La

posibilidad de transmitir las señales eléctricas de un devanado a otro mediante

inducción electromagnética fue descubierto por M. Faraday.

SISTEMAS DE POTENCIA

Cada vez son más los dispositivos y sistemas que en una o varias de sus

etapas son accionados por energía eléctrica. Los accionamientos consisten, en

general, en procesos que transforman la energía eléctrica en otro tipo de

energía, o en el mismo tipo, pero con diferentes características. Los

encargados de realizar dichos procesos son los Sistemas de Potencia.

Las aplicaciones de la electrónica estuvieron limitadas durante mucho tiempo a

las técnicas de alta frecuencia (emisores, receptores, etc.). En la evolución de

la electrónica industrial, las posibilidades estaban limitadas por la falta de

fiabilidad de los elementos electrónicos entonces disponibles (tubos

amplificadores, tiratrones, resistencias, condensadores). Esta fiabilidad era

insuficiente para responder a las altas exigencias que se requerían en las

nuevas aplicaciones del campo industrial.

Gracias al descubrimiento de los dispositivos semiconductores (transistores,

tiristores, etc.) en la década de los 60, que respondían a las exigencias

industriales (alta fiabilidad, dimensiones reducidas, insensibilidad a las

vibraciones mecánicas, etc.), la electrónica industrial hizo progresos

increíbles, permitiendo la realización de procesos cada vez más complejos,

destinados a la automatización de procesos industriales.

En general, cualquier conversión de energía eléctrica se puede realizar por

procedimientos electromecánicos o por procedimientos electrónicos. Los

convertidores electrónicos disponen de las siguientes ventajas frente a los

electromecánicos:

1. Mayor flexibilidad y más posibilidades de control.

2. Mayor estabilidad y mayor rapidez de respuesta, gracias a las características

eléctricas.

3. Menor mantenimiento al no disponer de partes mecánicas.

4. Mayor vida media y mayor fiabilidad.

5. No producción del arco eléctrico.

Como inconvenientes se pueden destacar:

Menor robustez eléctrica, al disponer de menor capacidad para soportar�

sobretensiones y sobrecorrientes.

Mayor coste para algunas de sus aplicaciones.�

La mayor flexibilidad y controlabilidad de los dispositivos electrónicos, hace que

se apliquen para resolver procesos cada vez más complejos. Un equipo

electrónico de potencia consta fundamentalmente de dos partes, tal como se

simboliza en la siguiente figura:

1. Un circuito de Potencia, compuesto de semiconductores de potencia y

elementos pasivos, que liga la fuente primaria de alimentación con la

carga.

2. Un circuito de mando, que elabora la información proporcionada por el

circuito de potencia y genera unas señales de excitación que determinan

la conducción de los semiconductores controlados con una fase y

secuencia conveniente.

Antes de pasar al estudio de la electrónica de potencia, interesa resaltar su

principal característica, mostrar sus particularidades y situar el campo de

aplicación.

En la Electrónica de Señal se varía la caída de tensión que un componente

activo crea en un circuito habitualmente alimentado en continua. Esta variación

permite, a partir de una información de entrada, obtener otra de salida

modificada o amplificada. Lo que interesa es la relación entre las señales de

entrada y salida, examinando posteriormente la potencia suministrada por la

fuente auxiliar que requiere para su funcionamiento. La función de base es la

amplificación y la principal característica es la ganancia.

En la Electrónica de Potencia, el concepto principal es el rendimiento. El

elemento de base no puede trabajar en régimen de amplificación pues las

pérdidas serían elevadas, es necesario trabajar en régimen de conmutación,

siendo el componente de base el semiconductor quien trabaja como interruptor.

Este componente trabajando en conmutación deberá cumplir las siguientes

características:

- Tener dos estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y

otro de baja impedancia (conducción).

- Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y con pequeña

potencia de control.

- Ser capaz de soportar altas tensiones cuando está bloqueado y grandes

intensidades, con pequeñas caídas de tensión entre sus extremos, cuando está

en conducción.

- Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro.

Así podemos definir la Electrónica de Potencia de la siguiente manera:

Electrónica de Potencia es la parte de la Electrónica encargada del estudio de

dispositivos, circuitos, sistemas y procedimientos para el procesamiento,

control y conversión de la energía eléctrica.

Por tanto la Electrónica de Potencia se ha introducido de lleno en la industria

en aplicaciones tales como las fuentes de alimentación, cargadores de

baterías, control de temperatura, variadores de velocidad de motores, etc. Es la

Electrónica Industrial quien estudia la adaptación de sistemas electrónicos de

potencia a procesos industriales. Siendo un sistema electrónico de potencia

aquel circuito electrónico que se encarga de controlar un proceso industrial,

donde interviene un transvase y procesamiento de energía eléctrica entre la

entrada y la carga, estando formado por varios convertidores, transductores y

sistemas de control., los cuales siguiendo hoy en día evolucionando y

creciendo constantemente.

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE POTENCIA

Los sistemas electrónicos de potencia consisten en uno o más convertidores

de potencia, que

gobiernan la transferencia de energía. El convertidor es el módulo básico en un

sistema de potencia.

En general, un convertidor controla y moldea la magnitud eléctrica de entrada

Vi, frecuencia fi y número de fases mi, en una magnitud eléctrica de salida Vo,

frecuencia fo y número de fases mo. La potencia puede fluir de forma

reversible, intercambiándose los papeles entre la entrada y la salida.

Es un hecho que la Electrónica de Potencia es una disciplina emergente dentro

de la Electrónica. Su utilización se extiende de forma amplia en sectores tales

como el residencial, la industria, sector aerospacial o militar. Recientemente el

papel de la electrónica de potencia ha venido ganando con un especial

significado en relación a la conservación de la energía y el control del medio

ambiente. La realidad es que la demanda de energía eléctrica crece con

relación directa a la mejora de la calidad de vida.

La concepción de esta asignatura está basada en la descripción de los

principales sistemas que se encargan de procesar la energía eléctrica. Dado

que el desarrollo de esta disciplina es constante, debido fundamentalmente a

que está ligada al crecimiento del campo de aplicación y a la mejora de las

prestaciones de los semiconductores de potencia, nuestro objetivo es presentar

las estructuras de los convertidores estáticos, sus características y sus campos

de aplicación. De esta forma se pretende ser capaz de determinar la manera de

transformar la “presentación” de la energía eléctrica y por tanto, de seleccionar

y diseñar la estructura de potencia más conveniente para cada caso. De

manera que se realice, mediante el citado sistema de potencia, la conversión

energética de la manera más eficaz posible.

De manera general se puede abordar el estudio de los distintos convertidores

en función de los cuatro tipos de conversión posibles:

1. Conversión alterna-continua.

2. Conversión alterna-alterna.

3. Conversión continua-alterna.

4. Conversión continua-continua.

Desde el punto de vista real, dado que el funcionamiento del sistema

encargado de transformar el tipo de “presentación” de la energía eléctrica viene

condicionado por el tipo de energía disponible en su entrada, hemos adoptado

como criterio para la estructuración del programa de la asignatura: Clasificar los

convertidores estáticos de energía en función del tipo de energía eléctrica que

los alimenta, tal y como se muestra en la siguiente figura:

Existen muchos tipos de clasificaciones, las cuales incluyen como

características determinantes:

El tipo de semiconductor utilizado. �

###El modo de conmutación �

###El tipo de aplicación.�

Ahora, atendiendo al tipo de conmutación se obtiene la siguiente clasificación

de convertidores de potencia:

Conmutación natural: Cuando la fuente de tensión primaria, presente a uno

de los lados del convertidor, facilita el paso a corte de los semiconductores.

Además dichos semiconductores pasan a conducción en fase con la frecuencia

de la tensión de entrada. (Rectificadores, Reguladores de corriente alterna y

Cicloconvertidores.

Conmutación forzada: Cuando los conmutadores controlables son llevados a

corte y a conducción a frecuencias mayores que la frecuencia de la red.

(Troceadores, Inversores y Onduladores autónomos).