Nociones básicas sobre transformadores
Los transformadores han adquirido una muy amplia aplicación dentro de los sistemas de transporte de energía a grandes distancias, distribuirlas entre sus receptores y entre los diferentes dispositivos de rectificación, señalización, amplificación, etc.
Por otro parte, es necesario que en el lugar donde se va a utilizar o consumir esta energía, las tensiones presenten valores más bajos y además se adapten a las tensiones de los diferentes dispositivos de consumo, esto nos lleva a tener antes que nada una preferencia en la utilización de corriente alterna sobre la corriente continua, debido a su facilidad para la transformación.
Esa corriente alterna es la que encontramos en todos los tomacorrientes domiciliarios y en la industria, y es la utilizada por todos los artefactos eléctricos, más alla de que algunos de ellos se encarguen en su interior de adaptarla a sus necesidades de operación.
Diferencias entre corriente continua y alterna
Hasta este momento siempre utilizamos y estudiamos corrientes continuas, que tenían la característica de tener una intensidad constante a lo largo del tiempo. O sea, las cargas eléctricas circulan por los cables conductores sin cambios de polaridad. En la actualidad también se acepta como corriente continua a aquellas que no sufren cambios de polaridad, aun sin ser constantes a lo largo del tiempo.
En la imagen, un ejemplo del comportamiento de la corriente continua a medida que pasa el tiempo. La corriente de la imagen tiene una intensidad de 10 amper constante a lo largo de todo el gráfico. Y lo más importante, no existen cambios en la polaridad, ya que es positiva siempre.
A su vez, la corriente alterna es una corriente cuya intensidad y polaridad varían a lo largo del tiempo.
En la imagen tenemos el comportamiento de la corriente alterna, donde: a(t): amperaje en función del tiempo
wt: pulsación en función del tiempo Ao: amplitud de onda
T: período (duración de un ciclo) b: ángulo de fase
La corriente circula aumentando su intensidad en polaridad positiva hasta un valor máximo, donde se alcanza la mayor amplitud de onda. A partir de allí, comienza a descender el amperaje de la misma hasta ser igual a cero y cambiar de polaridad positiva a negativa para seguir decreciendo en polaridad negativa. Una vez alcanzada la amplitud máxima en negativa, comienza a subir la intensidad hasta llegar a ser nula y pasar a polaridad positiva. Este es un ciclo completo de corriente alterna. Además, la corriente alterna se diferencia en su frecuencia, que es la cantidad de veces que se repite en 1 segundo el ciclo explicado anteriormente. Si este ciclo dura 0,02 segundos, y la frecuencia se calcula como f=1/T, entonces f=1/0.02 seg = 50 hertz, que es la frecuencia domiciliaria aproximada que tenemos en Argentina. Esto indica que en 1 segundo, la corriente alterna experimenta este ciclo de cambio de polaridad 50 veces.
Principio de funcionamiento de transformadores monofásicos
Los receptores domiciliarios (lámparas, motores eléctricos, electrodomésticos en general) están diseñados por cuestiones de seguridad para trabajar en tensiones de 220 voltios en su mayoría, aunque existen excepciones, por lo que es necesario reducir la tensión proveniente de las líneas de distribución, utilizándose en estos casos transformadores reductores de tensión. Los niveles de tensión de los sistemas de transmisión, distribución y de consumo han sido modificados varias veces desde el punto de generación hasta su destino final.
A ese proceso de cambio de tensión se llama “transformación”. El funcionamiento se funda en el fenómeno de inducción electromagnética. El transformador consta, en forma simplificada, de un núcleo de hierro cerrado sobre el cual se disponen dos arrollamientos de cobre o bobinas. Uno de estos arrollamientos es el que recibe la energía de entrada y es denominado “arrollamiento de entrada” o también “primario” (en la imagen, el arrollamiento N1). El arrollamiento del cual se toma la energía a la tensión transformada se denomina “arrollamiento de salida” o “secundario” (en la imagen, el arrollamiento N2).
Si el primario esta conectado a una señal de tensión de corriente alterna V1, por este arrollamiento circulará una corriente que creará en el núcleo de hierro un flujo magnético alterno. Este flujo al
intersectar al arrollamiento de salida, induce en el mismo una tensión de salida V2. El núcleo de hierro y el flujo magnético
Con el objeto de mejorar el enlace magnético entre las dos bobinas de cobre, estas se sitúan sobre un conductor magnético de hierro, ya que este material posee una gran permeabilidad, lo cual lo constituye en un muy buen conductor del flujo magnético.
Por lo tanto podemos afirmar que el núcleo del transformador tiene dos misiones fundamentales: Desde el punto de vista eléctrico, es la vía por la que discurre el flujo magnético y de esta forma se conectan los dos bobinados.
Desde el punto de vista mecánico, es el soporte de los bobinados o arrollamientos de entrada y salida, dándole rigidez mecánica al transformador.
Relación de transformación
Los bobinados no están conectados eléctricamente entre sí, pero ambos están bajo la influencia del enlace magnético. La relación de transformación es el cociente entre la tensión de entrada del transformador y la tensión de salida. Lo que es igual al cociente entre el número de vueltas del arrollamiento primario y el secundario. Estas vueltas de cobre que forman los bobinados son llamadas “espiras”. A su vez, dicha relación también es igual al cociente entre la corriente que circula por el secundario y la que circula por el primario.
n=N1/N2 lo que es igual a n=V1/V2 e igual a n=I2/I1 Donde:
N: Número de espiras del bobinado V:Tensión del bobinado
I: Corriente que circula por el bobinado
Ejemplo: Si el número de vueltas del primario es de N1=100 y el del secundario es de N2=50, y al primario se le aplica una tensión V1 de 220v, podremos observar que la tensión V2 en el secundario será de 110v
n=N1/N2 entonces n=100/50=2
n=V1/V2 entonces 2=220/V2, por lo que despejando V2 tenemos que 220/2=V2 y V2=110v Muchas veces ocurren pérdidas en los transformadores que hacen variar en la práctica esta relación de transformación. Estas pérdidas de potencias se deben a la circulación de corrientes parásitas o indeseables a lo largo del núcleo, y que producirán el calentamiento de dicho transformador. Para reducir las mismas, se utilizan núcleos laminados por apilamientos de chapas de pequeño espesor, aisladas unas de otras, de forma tal de aumentar los valores de resistencias y por lo tanto se reducen las intensidades de estas corrientes parásitas. También se producen pérdidas en el cobre de los bobinados, facilitando el calentamiento global.
Alternadores y dínamos Alternadores
El alternador es una máquina eléctrica destinada a transformar energía mecánica en energía eléctrica alterna, siendo luego rectificada a energía directa pulsante en el mismo alternador por medio de un puente rectificador de diodos.
Al igual que el resto de las máquinas eléctricas rotativas, el alternador presenta a grandes rasgos un rotor y un estator, una carcasa, un par de tapas, un ventilador, una polea y una serie de dispositivos necesarios para la transformación de energía.
Su principal utilidad se encuentra en el circuito eléctrico de los automóviles, entregando la corriente eléctrica necesaria a todos los demandantes eléctricos del mismo, como así también suministrar la energía para la carga de la batería.
Partes de los alternadores
Rotor: Es la parte móvil del alternador. Montado sobre el árbol del alternador, posee un bobinado que por medio del colector recibe corriente eléctrica, generando un campo magnético.
Estator: Está formado por un bobinado trifásico. Estas tres bobinas pueden estar conectadas en triángulo o estrella, siendo estas las dos clases de conexiones cuando se trabaja con trifásica.
Puente rectificador de diodos: Es la parte encargada de rectificar la corriente alterna generada por el alternador en corriente directa pulsante, adecuada para las demandas del automóvil.
Regulador: Es un pequeño dispositivo cuya función es mantener constante la tensión del alternador y con ella la del sistema eléctrico del vehículo, para todo margen de revoluciones del motor. La tensión generada en el alternador será más alta cuanto mayor sean su velocidad de giro y la corriente de alimentación del rotor. Por lo que el regulador será el encargado de regular esta corriente de alimentación y así impedir el aumento o disminución del campo magnético generado. Dicho de otra forma, la tensión en los bornes del alternador no sufrirá grandes modificaciones ante las variaciones de revoluciones del rotor.
Polea: Es la pieza encargada de recibir la energía mecánica procedente del motor de combustión a través de una correa, normalmente en V. Esta polea se encuentra acoplada al árbol del rotor,
transmitiéndole al mismo el giro mecánico.
Colector: Consiste en una pequeña pieza cilíndrica de material conductor montado sobre el árbol del motor y es el encargado de alimentar de corriente eléctrica al rotor.
Escobillas: También conocidas como carbones, son piezas de grafito en el mayor de los casos o de diferentes compuestos, y que por medio del contacto directo con el colector, son las encargadas de transmitir la corriente eléctrica al rotor. De esta forma, por medio del sistema de escobillas y colector se logra alimentar eléctricamente al rotor durante el movimiento del mismo.
Ventilador: Tiene la función de refrigerar al alternador disipando la energía en forma de calor que se genera en los bobinados y en las piezas móviles durante el servicio.
Funcionamiento
En un automóvil, al encender el contacto del mismo, pero sin encender el motor, comienza a circular corriente eléctrica desde la batería, pasando por el regulador, el sistema escobillas-colector y llegando al bobinado del rotor, generando un campo magnético estacionario en el alternador. Una vez encendido el motor, por medio de la transmisión mecánica de energía en el sistema correa-polea, comienza a girar el rotor y el regulador deja de alimentarse de corriente proveniente de la batería, para autoalimentarse con la corriente generada en el mismo alternador. Este rotor, al girar
produce que su campo magnético alterne su incidencia sobre el bobinado trifásico del estator, induciendo corriente eléctrica alterna en este último. Pero como todos los elementos eléctricos del automóvil requieren corriente continua, se hace uso de un puente rectificador de diodos para lograr a la salida del alternador la corriente demandada, en forma de corriente directa pulsante.
Dínamos
Al igual que el alternador, el dínamo es una máquina eléctrica destinada a transformar energía mecánica en energía eléctrica alterna, siendo luego rectificada a energía eléctrica continua en el mismo dínamo por medio del sistema de conmutador-escobillas. Dicho de otra manera, el dínamo es un generador eléctrico que reconvierte en 360º de giro giro mecánico, la corriente alterna inducida en corriente continua.
El dínamo a grandes rasgos es un motor c.c. de imanes permanentes. La diferencia radica en la función de cada uno. Mientras el motor c.c. transforma energía eléctrica en mecánica, el dínamo hace el proceso inverso.
Si hacemos girar el rotor del dínamo, los bobinados del mismo cortarán líneas de flujo magnético generadas por los imanes permanentes del estator. Esto inducirá una corriente eléctrica alterna en dicho rotor, que será rectificada a continua por medio del conmutador y las escobillas y así obtendremos a la salida la corriente continua deseada.
En la imagen se observa un antiguo dínamo de bicicleta, que por medio de la fricción entre el extremo del árbol del rotor y el neumático, generaba el giro de dicho rotor y por consiguiente, la corriente continua necesaria para encender las luminarias de la bicicleta.
Motores eléctricos
Las máquinas eléctricas se dividen en dos grupos: las estáticas y las rotativas. Las estáticas son los transformadores, mientras que las rotativas se dividen de acuerdo a la naturaleza de su alimentación eléctrica en máquinas rotativas de corriente alterna y de corriente continua. A su vez, las rotativas de corriente alterna se dividen el motores CA y alternadores, y las rotativas de corriente continua se dividen en motores CC y dínamos.
Anteriormente vimos como funcionan los transformadores, que son las máquinas eléctricas estáticas. Ahora veremos las máquinas eléctricas rotativas, empezando por los motores.
El motor eléctrico es una máquina eléctrica rotativa, destinada a transformar energía eléctrica en energía mecánica. Es el más usado de todos los tipos de motores ya que combina las ventajas de la utilización de la energía eléctrica (bajo costo, facilidad de transporte, limpieza y simplicidad de comando) con su construcción simple, ya que se pueden construir de todos los tamaños, costo reducido, gran versatilidad de adaptación a las cargas más diversas, no emite contaminantes al ambiente y presenta mejores rendimientos. Los tipos de motores eléctricos más comunes son:
a) Motores de corriente alterna b) Motores de corriente continua Motores de c.a.
Estos motores de corriente alterna son los más utilizados porque la distribución de energía eléctrica es hecha normalmente en corriente alterna.
Los motores de c.a. se proyectan para un suministro de corrientes alternas monofásicas o trifásicas (que no se estudiarán en este curso), pero ambos funcionan basados en el mismo principio, en el que la corriente alterna aplicada al motor genera un campo magnético y a su vez este campo magnético hace girar al rotor del motor.
A su vez, los motores de c.a. se clasifican en sincrónicos y asincrónicos.
Los motores sincrónicos funcionan con velocidad fija, utilizado solamente para grandes potencias debido a su alto costo en tamaños menores, o cuando se necesita una velocidad constante.
Los motores asincrónicos funcionan normalmente con velocidad constante que varía con la carga mecánica aplicada al árbol, es decir, varía de acuerdo a lo que deba mover. Este es el motor mas utilizado debido a su gran simplicidad, robustez y bajo costo.
Los motores monofásicos asincrónicos se clasifican en: a) Motores monofásicos de inducción
b) Motores monofásicos de repulsión Motores monofásicos de inducción
Estos motores poseen bobinados únicamente en el estator. Este bobinado generalmente está devanado en varias bobinas que se distribuyen en la periferia del estator, y que al ser alimentado por corriente alterna, generan un campo magnético alternado a su alrededor. Las alternancias de este campo magnético inducen corrientes eléctricas en el rotor. Estas corrientes en el rotor, a su vez producen un campo magnético del mismo signo que el del estator y tienden a hacerlo girar al rotor 180º para enfrentarlo con los polos opuestos. De esta forma, el rotor cumplirá medio giro por cada alternancia de la corriente del estator, que seguidamente lo hará girar otros 180º completando los 360º de giro y así sucesivamente.
Pero como el arranque del motor era complicado, se idearon 2 métodos para facilitar el mismo. Así es que existen los motores de inducción de fase partida y los motores de inducción de arranque por condensador.
Motor de fase partida
Estos motores constan a grandes rasgos de 5 partes principales:
Bastidor o carcasa: Es la carcasa externa del motor sobre la que se monta a presión el estator.
Escudos: Van sujetos al bastidor y contienen cojinetes que permiten mantener al rotor en la posición adecuada, impidiendo el roce mecánico entre rotor y estator y reducir al máximo el rozamiento del rotor durante el servicio.
Estator: Consiste en dos bobinados, el principal y el de arranque. El principal es de alambre grueso, mientras que el de arranque es de alambre delgada.
Rotor: El rotor consta de un cilindro de chapas de acero o hierro al silicio, prensadas para formar un solo cuerpo. Es ranurado y en esas ranuras presenta barras de cobre cuyos extremos se unen en las coronas que también son de cobre. Estos tipos de rotores se llaman de jaula de ardilla o rotor en corto circuito. También pueden encontrarse jaulas de ardilla de aluminio, y al mismo tiempo, hay rotores de una unidad de una sola pieza de aluminio.
Sobre el árbol del rotor se encuentra montado un ventilador que hace circular el aire por el motor para que la temperatura del mismo no se eleve a niveles que afecten el funcionamiento del mismo. Interruptor centrígufo: Consta de una parte estacionaria o fija y una parte giratoria o móvil. La parte estacionaria está montada sobre uno de los escudos, y la parte giratoria va montada sobre el rotor.
Perspectivas explosivas de motores de inducción
Cuando por los bobinados principal y de arranque del estator circula corriente eléctrica, generan un campo magnético alterno. Este campo magnético induce corriente en el rotor, que al mismo tiempo genera otro campo magnético. Estos dos campos reaccionan haciendo que el rotor gire. Cuando el rotor alcanza ¾ de su velocidad normal, el interruptor centrífugo se abre desconectando el bobinado de arranque, y el motor sigue funcionando con el bobinado principal.
Si se invierten los conductores de los bobinados, se invierte el sentido del campo magnético del estator, por lo tanto el sentido de giro del rotor será el inverso.
Entre sus características tenemos una buena regulación de la velocidad y potencias menores de 1,5 hp.
Motor de arranque por condensador
La construcción de este motor es prácticamente la misma que la del anterior, salvo que en este se encuentra un capacitor conectado en serie con el bobinado de arranque, que le aplica un par de arranque mayor y una corriente de intensidad menor. El funcionamiento es el mismo. Si el motor se arranca y se para
muchas veces en un corto tiempo, es probable que tenga dificultades en el capacitor. Por esta razón son utilizados en aplicaciones donde se requieren pocos encendidos en cortos tiempos.
Estos motores presentan buena regulación de la velocidad, par de arranque elevado favoreciéndolo para el uso cuando se deba conectar a cargas con grandes momentos de inercia. Entregan desde 0,5 a 5 hp.
Motores de c.c.
El motor de corriente continua es una máquina eléctrica destinada a transformar energía eléctrica continua en energía mecánica. Presenta un funcionamiento similar a los de corriente alterna, ya que funcionan en base a la repulsión que ejercen los polos de los campos magnéticos del estator y del rotor, produciendo el giro mecánico del árbol del motor. Pero se diferencian en la forma de generación de esos campos magnéticos.
Estos motores se componen principalmente de dos partes: el estator, en el cual se genera un campo magnético por medio de bobinados de cobre o también con imanes permanentes; y el rotor, que es generalmente de forma cilíndrica, con bobinados de cobre, alimentado con corriente continua mediante escobillas fijas (conocidas también como carbones). Para alimentar eléctricamente al rotor, ya que al ser giratorio no son posibles las conexiones mediante cableados, presentan lo que se conoce con los nombres de “conmutador” y “escobillas o carbones”.
De aquí vemos que pueden existir dos grandes grupos de motores de corriente continua: los motores de estator bobinado y los motores de imanes permanentes (no tienen bobinados en el estator, únicamente imanes).
Partes de un motor c.c.
Carcasa: Es la carcasa externa del motor sobre la que se fijan los imanes permanentes o los bobinados del estator, dependiendo de la característica constructiva del motor de c.c.
Rotor: Es la parte giratoria del motor, y en él radica una de las principales diferencias entre los motores de corrientes alterna y continua, ya que en estos últimos el rotor presenta una serie de bobinados (la gran mayoría consta de 2 a 3 bobinas de hilo de cobre) y una extensión más pequeña adherida al árbol del rotor, sobre un extremo, llamado conmutador. Estos rotores son de núcleo de hierro o acero al silicio, y al circular corriente eléctrica por dichos enrollamientos, el rotor se vuelve un electroimán giratorio.
Conmutador: Consiste en una pequeña pieza cilíndrica de material conductor montado sobre el árbol del motor y es el encargado de alimentar de corriente eléctrica al rotor y conmutar o cambiar el sentido en que circula esa corriente por cada uno de los bobinados del rotor, permitiendo con dicha conmutación que el polo norte del rotor en todo momento coincida con el polo norte del
estator, lo mismo para ambos polo sur, para así generar un rechazo constante entre polos y permitir el giro del motor. A su vez, el conmutador está formado por la unión de delgas, que son pequeñas chapas conductoras. Cada delga está conectada a un bobinado del rotor, por lo que tendremos tantas delgas como bobinados.
Escobillas: También conocidas como carbones, son piezas de grafito en el mayor de los casos o de diferentes compuestos, fijadas a una de las tapas del motor, y que por medio del contacto directo con las delgas del conmutador son las encargadas de transmitir la corriente eléctrica a los bobinados del rotor. De esta forma, por medio del sistema de escobillas y conmutador se logra alimentar eléctricamente al rotor durante el movimiento del mismo.
Tapas: Son las encargadas de cerrar la carcasa, de contener los bujes y rodamientos para mantener fijado al rotor y una de ellas contiene al par de escobillas.
Motor de c.c. de imán permanente
La única diferencia entre estos y los motores de estator bobinado es que el campo magnético del estator será producido por la acción de los imanes.
Estos motores presentan en el estator una serie de imanes fijos o permanentes en lugar de bobinados de cobre. Cuando la corriente eléctrica circula desde las escobillas al conmutador y desde sus delgas a las bobinas del rotor, el campo electromagnético que se genera interactúa con el campo magnético de los imanes permanentes. Al coincidir los polos de los imanes y del rotor, se produce un rechazo que generará el giro mecánico del rotor y por lo tanto, el funcionamiento del motor. También existen motores de imanes permanentes de conmutación electrónica sin escobillas.
Carcasa abierta con imanes fijos
Al mismo tiempo, se dividen en tres categorías en función del diseño del rotor. Estas son: de núcleo de hierro, de devanado o bobinado superficial y de bobina móvil
En los motores con rotor de núcleo de hierro (imagen, rotor perteneciente a un pequeño motor de scalextric), el exterior del rotor presenta láminas de acero ranuradas, y dentro de esas ranuras se enrollan los bobinados. Cuando el devanado es superficial, los arrollamientos de cobre se encuentran sobre la estructura cilíndrica del rotor, dando la imagen de envoltura al mismo. En los
rotores de bobina móvil, el bobinado se encuentra soportado por un material que lo aísla eléctricamente del resto del rotor, pero lo fija mecánicamente al mismo.
Motor de c.c. de estator bobinado
Al igual que los motores de corriente alterna, estos motores presentan bobinados en el estator en lugar de imanes permanentes.
En función del conexionado de los bobinados del estator y del rotor, estos motores se clasifican en: motor serie, shunt o paralelo y compound.
En los motores serie, los bobinados del estator y del rotor se conectan en serie y son los elegidos para grúas y montacargas. En el shunt o paralelo, el bobinado del rotor y del estator se conectan en paralelo. Son utilizados en tornos y taladros porque no soportan grandes sobrecargas. Y por último los compount en el que el bobinado del rotor y uno de los bobinados del estator están conectados en serie, y el segundo bobinado del estator conectado en paralelo con los dos anteriores.
