En ingeniería eléctrica , máquina eléctrica es un término general para las máquinas que utilizan fuerzas electromagnéticas , como motores eléctricos , generadores eléctricos y otros. Son convertidores de energía electromecánicos : un motor eléctrico convierte electricidad en energía mecánica mientras que un generador eléctrico convierte energía mecánica en electricidad. Las partes móviles de una máquina pueden ser rotativas ( máquinas rotativas ) o lineales ( máquinas lineales ). Si bien los transformadores a veces se denominan "máquinas eléctricas estáticas", [1] dado que no tienen partes móviles , generalmente no se los considera "máquinas", [2] sino dispositivos eléctricos "estrechamente relacionados" con las máquinas eléctricas. [3]
Las máquinas eléctricas, en forma de generadores sincrónicos y de inducción , producen alrededor del 95% de toda la energía eléctrica de la Tierra (a principios de la década de 2020), [4] y en forma de motores eléctricos consumen aproximadamente el 60% de toda la energía eléctrica producida. Las máquinas eléctricas se desarrollaron a partir de mediados del siglo XIX y desde entonces han sido un componente omnipresente de la infraestructura. El desarrollo de una tecnología de máquinas eléctricas más eficiente es crucial para cualquier estrategia global de conservación, energía verde o energía alternativa .
Un generador eléctrico es un dispositivo que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Un generador obliga a los electrones a fluir a través de un circuito eléctrico externo . Es algo similar a una bomba de agua, que crea un flujo de agua pero no crea el agua en su interior. La fuente de energía mecánica, el motor primario, puede ser un motor de vapor alternativo o de turbina , agua que cae a través de una turbina o rueda hidráulica , un motor de combustión interna , una turbina eólica , una manivela , aire comprimido o cualquier otra fuente de energía mecánica.
Las dos partes principales de una máquina eléctrica se pueden describir en términos mecánicos o eléctricos. En términos mecánicos, el rotor es la parte giratoria y el estator es la parte estacionaria de una máquina eléctrica. En términos eléctricos, la armadura es el componente que produce energía y el campo es el componente del campo magnético de una máquina eléctrica. La armadura puede estar en el rotor o en el estator. El campo magnético puede ser proporcionado por electroimanes o imanes permanentes montados en el rotor o en el estator. Los generadores se clasifican en dos tipos: generadores de CA y generadores de CC .
Un generador de CA convierte la energía mecánica en electricidad de corriente alterna . Debido a que la potencia transferida al circuito de campo es mucho menor que la potencia transferida al circuito de inducido, los generadores de CA casi siempre tienen el devanado de campo en el rotor y el devanado de inducido en el estator.
Los generadores de CA se clasifican en varios tipos.
Un generador de CC es una máquina que convierte energía mecánica en energía eléctrica de corriente continua. Un generador de CC generalmente tiene un conmutador con anillo dividido para producir una corriente continua en lugar de una corriente alterna.
Un motor eléctrico convierte la energía eléctrica en energía mecánica . El proceso inverso de los generadores eléctricos, la mayoría de los motores eléctricos funcionan a través de campos magnéticos que interactúan y conductores que transportan corriente para generar fuerza rotatoria. Los motores y generadores tienen muchas similitudes y muchos tipos de motores eléctricos pueden funcionar como generadores, y viceversa. Los motores eléctricos se encuentran en aplicaciones tan diversas como ventiladores industriales, sopladores y bombas, máquinas herramienta, electrodomésticos, herramientas eléctricas y unidades de disco . Pueden funcionar con corriente continua o con corriente alterna, lo que da lugar a las dos clasificaciones principales: motores de CA y motores de CC .
Un motor de CA convierte la corriente alterna en energía mecánica. Generalmente consta de dos partes básicas: un estator estacionario externo que tiene bobinas alimentadas con corriente alterna para producir un campo magnético giratorio y un rotor interno conectado al eje de salida al que el campo giratorio le proporciona un par. Los dos tipos principales de motores de CA se distinguen por el tipo de rotor utilizado.
El motor eléctrico de CC con escobillas genera par directamente a partir de la energía de CC suministrada al motor mediante conmutación interna, imanes permanentes estacionarios e imanes eléctricos giratorios. Las escobillas y los resortes transportan la corriente eléctrica desde el conmutador hasta los devanados de alambre giratorio del rotor dentro del motor. Los motores de CC sin escobillas utilizan un imán permanente giratorio en el rotor e imanes eléctricos estacionarios en la carcasa del motor. Un controlador de motor convierte la CC en CA. Este diseño es más simple que el de los motores con escobillas porque elimina la complicación de transferir energía desde el exterior del motor al rotor giratorio. Un ejemplo de un motor de CC sincrónico sin escobillas es un motor paso a paso que puede dividir una rotación completa en una gran cantidad de pasos.
Otras máquinas electromagnéticas incluyen Amplidyne , Synchro , Metadyne , embrague de corrientes de Foucault , freno de corrientes de Foucault , dinamómetro de corrientes de Foucault , dinamómetro de histéresis , convertidor rotatorio y equipo Ward Leonard . Un convertidor rotatorio es una combinación de máquinas que actúan como rectificador mecánico, inversor o convertidor de frecuencia. El equipo Ward Leonard es una combinación de máquinas que se utilizan para proporcionar control de velocidad. Otras combinaciones de máquinas incluyen los sistemas Kraemer y Scherbius.
Las máquinas de rotor electromagnético son máquinas que tienen algún tipo de corriente eléctrica en el rotor que crea un campo magnético que interactúa con los devanados del estator. La corriente del rotor puede ser la corriente interna en un imán permanente (máquina de imán permanente), una corriente suministrada al rotor a través de escobillas (máquina de escobillas) o una corriente establecida en los devanados del rotor cerrado por un campo magnético variable (máquina de inducción).
Las máquinas de imanes permanentes tienen imanes permanentes en el rotor que crean un campo magnético. La fuerza magnetomotriz en un imán permanente (causada por electrones en órbita con espín alineado) es generalmente mucho mayor que la que es posible en una bobina de cobre. Sin embargo, la bobina de cobre se puede rellenar con un material ferromagnético, lo que le da a la bobina una reluctancia magnética mucho menor . Aún así, el campo magnético creado por los imanes de neodimio modernos es más fuerte, lo que significa que las máquinas de imanes permanentes tienen una mejor relación par/volumen y par/peso que las máquinas con bobinas de rotor en funcionamiento continuo. Esto puede cambiar con la introducción de superconductores en el rotor.
Dado que los imanes permanentes de una máquina de imanes permanentes ya introducen una reluctancia magnética considerable, la reluctancia en el entrehierro y las bobinas es menos importante, lo que proporciona una libertad considerable a la hora de diseñar máquinas de imanes permanentes.
Normalmente es posible sobrecargar las máquinas eléctricas durante un breve periodo de tiempo hasta que la corriente en las bobinas calienta partes de la máquina a una temperatura que provoca daños. Las máquinas de imanes permanentes pueden tolerar menos este tipo de sobrecarga, porque una corriente demasiado alta en las bobinas puede crear un campo magnético lo suficientemente fuerte como para desmagnetizar los imanes.
Las máquinas con escobillas son máquinas en las que la bobina del rotor se alimenta con corriente a través de escobillas de forma muy similar a como se alimenta la corriente al coche en una pista de coches eléctricos . Las escobillas más duraderas pueden estar hechas de grafito o metal líquido. Incluso es posible eliminar las escobillas en una "máquina con escobillas" utilizando una parte del rotor y el estator como transformador que transfiere corriente sin crear par. Las escobillas no deben confundirse con un conmutador. La diferencia es que las escobillas solo transfieren corriente eléctrica a un rotor en movimiento, mientras que un conmutador también proporciona conmutación de la dirección de la corriente.
Entre las bobinas del rotor hay hierro (normalmente núcleos de acero laminado hechos de chapa metálica ) y dientes de hierro entre las bobinas del estator, además de hierro negro detrás de las bobinas del estator. El espacio entre el rotor y el estator también se hace lo más pequeño posible. Todo esto se hace para minimizar la reluctancia magnética del circuito magnético por el que viaja el campo magnético creado por las bobinas del rotor, algo que es importante para optimizar estas máquinas.
Las grandes máquinas con escobillas que funcionan con corriente continua en los devanados del estator a velocidad síncrona son los generadores más comunes en las centrales eléctricas , porque también suministran potencia reactiva a la red, porque pueden ser puestas en marcha por la turbina y porque la máquina de este sistema puede generar energía a una velocidad constante sin un controlador. Este tipo de máquina se suele denominar en la literatura máquina síncrona.
Esta máquina también puede funcionar conectando las bobinas del estator a la red y suministrando corriente alterna a las bobinas del rotor desde un inversor. La ventaja es que es posible controlar la velocidad de rotación de la máquina con un inversor de potencia fraccionada. Cuando funciona de esta manera, la máquina se conoce como máquina de "inducción" de doble alimentación con escobillas . "Inducción" es engañoso porque no hay corriente útil en la máquina que se genera por inducción.
Las máquinas de inducción tienen bobinas de rotor en cortocircuito donde se establece y mantiene una corriente por inducción . Esto requiere que el rotor gire a una velocidad distinta a la sincrónica, de modo que las bobinas del rotor estén sujetas a un campo magnético variable creado por las bobinas del estator. Una máquina de inducción es una máquina asincrónica.
La inducción elimina la necesidad de escobillas, que suelen ser una parte débil de una máquina eléctrica. También permite diseños que hacen que sea muy fácil fabricar el rotor. Un cilindro de metal funcionará como rotor, pero para mejorar la eficiencia se suele utilizar un rotor de "jaula de ardilla" o un rotor con devanados cerrados. La velocidad de las máquinas de inducción asíncronas disminuirá con el aumento de la carga porque es necesaria una mayor diferencia de velocidad entre el estator y el rotor para establecer una corriente de rotor y un campo magnético de rotor suficientes. Las máquinas de inducción asíncronas se pueden fabricar de modo que arranquen y funcionen sin ningún medio de control si se conectan a una red de CA, pero el par de arranque es bajo.
Un caso especial sería una máquina de inducción con superconductores en el rotor. La corriente en los superconductores se establecerá por inducción, pero el rotor funcionará a velocidad sincrónica porque no será necesaria una diferencia de velocidad entre el campo magnético en el estator y la velocidad del rotor para mantener la corriente del rotor.
Otro caso especial sería la máquina de inducción de doble alimentación sin escobillas , que tiene un doble juego de bobinas en el estator. Al tener dos campos magnéticos móviles en el estator, no tiene sentido hablar de velocidad síncrona o asíncrona.
Las máquinas de reluctancia no tienen bobinados en el rotor, solo un material ferromagnético diseñado de manera que los "electroimanes" del estator puedan "agarrar" los dientes del rotor y avanzarlo un poco. Luego, los electroimanes se apagan, mientras que otro conjunto de electroimanes se enciende para mover el rotor más. Otro nombre es motor paso a paso y es adecuado para baja velocidad y control de posición preciso. Las máquinas de reluctancia se pueden suministrar con imanes permanentes en el estator para mejorar el rendimiento. Luego, el "electroimán" se "apaga" enviando una corriente negativa en la bobina. Cuando la corriente es positiva, el imán y la corriente cooperan para crear un campo magnético más fuerte que mejorará el par máximo de la máquina de reluctancia sin aumentar el valor absoluto máximo de la corriente.
La armadura de las máquinas eléctricas polifásicas incluye múltiples devanados alimentados por corrientes alternas desplazadas entre sí por ángulos fasoriales iguales . Las más populares son las máquinas trifásicas , en las que los devanados están separados (eléctricamente) 120°. [5]
Las máquinas trifásicas tienen mayores ventajas que las monofásicas: [6]
Las fases de bobinado del motor trifásico deben ser energizadas en una secuencia para que un motor gire, por ejemplo, la fase V retrasada con respecto a la fase U por 120°, y la fase W retrasada con respecto a la fase V (U > V > W, rotación de fase normal, secuencia positiva ). Si la secuencia se invierte (W < V < U), el motor girará en la dirección opuesta ( secuencia negativa ). La corriente común a través de los tres bobinados se llama secuencia cero . Cualquier combinación de las corrientes de CA en los tres bobinados se puede expresar como una suma de tres corrientes simétricas, correspondientes a secuencias positiva, negativa y cero. [7]
En las máquinas electrostáticas , el par se crea por atracción o repulsión de la carga eléctrica en el rotor y el estator.
Los generadores electrostáticos generan electricidad mediante la acumulación de carga eléctrica. Los primeros tipos eran máquinas de fricción y los posteriores eran máquinas de influencia que funcionaban por inducción electrostática . El generador de Van de Graaff es un generador electrostático que todavía se utiliza en la investigación en la actualidad.
Las máquinas homopolares son verdaderas máquinas de corriente continua en las que se suministra corriente a una rueda giratoria a través de escobillas. La rueda se inserta en un campo magnético y se crea un par a medida que la corriente viaja desde el borde hasta el centro de la rueda a través del campo magnético.
Para un funcionamiento optimizado o práctico de las máquinas eléctricas, los sistemas de máquinas eléctricas actuales se complementan con un control electrónico.