Máquinas eléctricas

El funcionamiento de cualquier máquina eléctrica se basa en la interacción entre campos magnéticos y conductores eléctricos. Tres leyes físicas rigen estos fenómenos:

1. Ley de Ampère: Establece que una corriente eléctrica $I$ genera un campo magnético. En máquinas, usamos la excitación magnética ($H$), donde la intensidad de campo en una bobina de $N$ espiras y longitud $L$ es: $H = \frac{N \cdot I}{L}$
2. Ley de Faraday-Lenz: Es la base de los generadores y transformadores. Indica que un flujo magnético ($\phi$) variable en el tiempo induce una fuerza electromotriz (f.e.m., $\varepsilon$) en un conductor: $\varepsilon = -N \cdot \frac{d\phi}{dt}$ El signo negativo (Ley de Lenz) indica que la corriente inducida se opone a la causa que la produce.
3. Ley de Lorentz: Explica el movimiento en los motores. Un conductor de longitud $l$ por el que circula una corriente $I$, inmerso en un campo de inducción $B$, experimenta una fuerza: $F = B \cdot I \cdot l \cdot \sin(\theta)$

Para canalizar el flujo magnético, las máquinas utilizan núcleos ferromagnéticos. La facilidad para conducir el flujo se mide con la permeabilidad magnética ($\mu$).

• Reluctancia ($R_m$): Es la resistencia que ofrece un material al paso del flujo. Se calcula como $R_m = \frac{L}{\mu \cdot S}$.
• Ciclo de histéresis: Los materiales reales no son perfectos. Al magnetizar y desmagnetizar el hierro, se pierde energía en forma de calor. El área encerrada por el ciclo de histéresis representa la energía perdida por unidad de volumen.
• Corrientes de Foucault: Son corrientes parásitas inducidas en el propio núcleo de hierro. Para reducirlas, los núcleos no son bloques sólidos, sino que están formados por chapas magnéticas apiladas y aisladas entre sí.

Las máquinas se clasifican según su movimiento y función:

• Estáticas: Transformadores (no tienen partes móviles).
• Rotativas: Motores (eléctrica → mecánica) y Generadores (mecánica → eléctrica).

El balance de potencias es crucial: la potencia de entrada nunca es igual a la de salida debido a las pérdidas (eléctricas en el cobre, magnéticas en el hierro y mecánicas por rozamiento). El rendimiento ($\eta$) se define como: $\eta = \frac{P_{salida}}{P_{entrada}} \cdot 100$

Un transformador consta de un núcleo de chapas de acero al silicio y dos devanados: primario (entrada) y secundario (salida). Su función es variar la tensión y la intensidad manteniendo la frecuencia constante.

• Relación de transformación ($m$): $m = \frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2} = \frac{I_2}{I_1}$ En un transformador ideal, no hay pérdidas y la potencia aparente se mantiene ($S_1 = S_2$). En el real, existen caídas de tensión por la resistencia de los hilos y flujos de dispersión.

Para conocer el comportamiento de un transformador sin llevarlo al límite, se realizan dos pruebas:

1. Ensayo de vacío: Se aplica la tensión nominal al primario con el secundario abierto. Sirve para medir las pérdidas en el hierro ($P_{Fe}$), que son constantes.
2. Ensayo de cortocircuito: Se cortocircuita el secundario y se aplica una tensión reducida hasta que circule la intensidad nominal. Permite calcular las pérdidas en el cobre ($P_{Cu}$) debidas al efecto Joule.

En la industria, se utilizan transformadores trifásicos. Sus devanados pueden conectarse en Estrella (Y), Triángulo ($\Delta$) o Zig-zag (Z).

• Índice horario: Indica el desfase entre las tensiones del primario y secundario (múltiplos de 30º).
• Autotransformador: Tiene un solo devanado que actúa como primario y secundario. Es más eficiente y barato, pero carece de aislamiento galvánico entre circuitos, lo que aumenta el riesgo eléctrico.

Constan de dos partes principales:

• Estator (Inductor): Crea el campo magnético fijo.
• Rotor (Inducido): Parte móvil donde se genera la fuerza o la corriente.
• Colector de delgas: Es el elemento clave que actúa como un rectificador mecánico, permitiendo que la corriente fluya en una dirección constante mediante el contacto con las escobillas.

La forma en que se alimenta el devanado inductor determina el comportamiento del motor:

1. Excitación Independiente/Shunt: La velocidad es casi constante frente a variaciones de carga. Ideales para máquinas herramienta.
2. Excitación Serie: El par de arranque es muy elevado, pero si el motor se queda sin carga, puede acelerarse peligrosamente (embalamiento). Se usa en tracción eléctrica (trenes, tranvías).

El arranque de estos motores requiere reóstatos de arranque para limitar la elevada corriente inicial. La velocidad se puede controlar de dos formas:

• Variando la tensión en el inducido (control de velocidad base).
• Variando el flujo magnético (debilitamiento de campo para velocidades altas). Para invertir el giro, basta con cambiar la polaridad de la conexión en el inducido o en el inductor (pero no en ambos a la vez).

Es la máquina más utilizada en la industria por su robustez. Se basa en el Teorema de Ferraris: tres bobinas desfasadas 120º alimentadas por un sistema trifásico crean un campo magnético que gira a una velocidad denominada velocidad de sincronismo ($n_s$): $n_s = \frac{60 \cdot f}{p}$ Donde $f$ es la frecuencia (Hz) y $p$ el número de pares de polos.

• Rotor en jaula de ardilla: Barras de aluminio o cobre cortocircuitadas. Es extremadamente fiable y no requiere mantenimiento de escobillas.
• Rotor bobinado: Permite insertar resistencias externas para mejorar el par de arranque.

El deslizamiento ($s$) es la diferencia relativa entre la velocidad del campo ($n_s$) y la del rotor ($n$): $s = \frac{n_s - n}{n_s}$ En un motor asíncrono, $n$ siempre es menor que $n_s$.

El arranque estrella-triángulo es un método clásico para reducir la corriente de arranque (que puede ser 5-7 veces la nominal). Actualmente, se prefieren los variadores de frecuencia, que permiten un control preciso de la velocidad y el par manteniendo la eficiencia.

Casi toda la electricidad mundial se genera mediante alternadores síncronos en centrales eléctricas. En estas máquinas, la velocidad del rotor es exactamente igual a la velocidad de sincronismo ($n = n_s$). El rotor es alimentado por corriente continua para crear un campo magnético que "arrastra" al campo del estator.

Para conectar un alternador a la red nacional, deben cumplirse cuatro condiciones de sincronismo:

1. Igualdad de tensiones.
2. Igualdad de frecuencias.
3. Igualdad de secuencia de fases.
4. Igualdad de fase (concordancia de fase).

• Compensador síncrono: Se utiliza en vacío para absorber o ceder potencia reactiva y así corregir el factor de potencia de una instalación.
• Motores Brushless (sin escobillas): Utilizan imanes permanentes en el rotor y electrónica de potencia para la conmutación. Son vitales en robótica y vehículos eléctricos por su alta densidad de potencia.

Para evitar averías y accidentes, se emplean:

• Relés térmicos: Protegen contra sobrecargas prolongadas (calentamiento).
• Interruptores magnetotérmicos: Protegen contra cortocircuitos.
• Grados de protección IP: Por ejemplo, un motor IP55 está protegido contra polvo y chorros de agua.

La normativa internacional clasifica los motores según su eficiencia, desde IE1 (estándar) hasta IE4 (super premium). Mejorar la eficiencia un 1% en un motor industrial ahorra miles de kWh al año. El diseño actual busca facilitar el reciclaje del cobre y el acero al final de la vida útil de la máquina.

El trabajo con máquinas eléctricas exige cumplir las 5 reglas de oro para trabajos sin tensión:

1. Corte efectivo de todas las fuentes.
2. Prevenir cualquier posible realimentación (bloqueo).
3. Verificar la ausencia de tensión.
4. Puesta a tierra y en cortocircuito.
5. Señalizar la zona de trabajo.

Es obligatorio el uso de EPIs adecuados, como guantes dieléctricos, calzado aislante y pantallas de protección facial contra arcos eléctricos.