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Física - Básica
MAQUINAS ROTANTES
2.1 GENERALIDADES.
Las máquinas eléctricas rotantes tienen la particularidad de convertir energía
eléctrica en mecánica o viceversa, eventualmente también pueden transformar
energía eléctrica de un tipo en otro aprovechando el movimiento.
Frente a los problemas de utilización se representa la máquina desde el punto de
vista circuital, y frecuentemente se utiliza un modelo puramente eléctrico, donde la
carga mecánica corresponde a un resistor en el que se disipa energía, o una fuerza
electromotriz (o contraelectromotriz).
En cambio para la construcción, para el proyecto, es necesario considerar modelos
más próximos a la realidad física, no son aceptables drásticas simplificaciones o
esquematizaciones generales como se indican en el párrafo anterior.
Para proyectar una máquina se deben tener muy en cuenta sus características físicas,
es entonces necesario hacer cierta clasificación de las máquinas rotantes para
identificar condiciones de similitud que permitan extender los criterios de diseño
entre máquinas semejantes.
Una primera clasificación que puede hacerse es por su función:
 generador, máquina que produce energía eléctrica por transformación de la
energía mecánica.
 motor, máquina que produce energía mecánica por transformación de la
energía eléctrica.
 convertidor rotativo que convierte energía eléctrica de una forma a otra
(cambiando frecuencia, convirtiendo corriente alterna en continua etc.)
máquina muy utilizada en el pasado.
Si se clasifican por la fuente de energía que las alimenta o que representan se tiene:
 máquinas de corriente continua
 máquinas de corriente alterna
y algunas de estas últimas por las características de su velocidad se clasifican en:
 máquinas asincrónicas
 máquinas sincrónicas
Ing. Narciso Beyrut Ruiz
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A partir de este capítulo nos ocuparemos de tres máquinas rotantes en las que se
reúnen todos los conceptos principales de proyecto de cualquier otra, y en el
siguiente orden:
 iniciaremos con el alternador como ejemplo de máquina sincrónica,
 continuaremos con el motor asincrónico,
 y finalmente la máquina de corriente continua (generador o motor).
Las máquinas rotantes utilizadas en los sistemas eléctricos tienen características que
son objeto primero de especificación, luego de garantías y finalmente de
comprobación mediante ensayos.
El proyecto que se debe realizar parte de las condiciones de especificación, las
condiciones de servicio y operación y una vez materializado se lo somete a ensayos
que tienen por objeto demostrar que se satisfacen las condiciones de garantía.
2.2 PARAMETROS NOMINALES.
Son datos que en base a las condiciones de servicio definen las prestaciones que
puede entregar la máquina en condiciones especificadas.
Se presentan como el conjunto de valores numéricos de las magnitudes eléctricas y
mecánicas asociadas con su duración y secuencia asignadas a la máquina por el
constructor e indicadas en la chapa de características.
El comprador tiene la responsabilidad de especificar con toda precisión cuando
corresponde, las condiciones de servicio a las cuales estará sometida la máquina.
2.2.1 Potencia nominal
Valor numérico de la potencia indicada en las características nominales.
Este valor establece las bases de diseño, de construcción y de garantías.
Generalmente cuando no se especifica otra cosa se supone que la máquina es de
servicio continuo, es decir, funciona con carga constante hasta alcanzar el equilibrio
térmico.
Para las máquinas rotantes se establecen dos regímenes extremos de
funcionamiento, en vacío y a plena carga.
Funcionamiento en vacío es la condición de funcionamiento de una máquina con
carga nula (el resto de condiciones de operación son las nominales).
Funcionamiento a plena carga es cuando se tiene el mayor valor de carga indicada
para una máquina funcionando a la potencia nominal.
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2.2.2 Servicio
La indicación del valor (fracción de la potencia nominal en por ciento) de las cargas
a las cuales la máquina está sometida indicando la duración y la secuencia en el
tiempo.
Como este tema es de aplicación casi exclusivamente para motores será tratado en
el capítulo de máquinas asincrónicas.
2.2.3 Momento de inercia
El momento de inercia (dinámico) de un cuerpo alrededor de un eje es la suma
(integral) de los productos de sus masas elementales por el cuadrado de sus
distancias radiales al eje.
Esta es una característica de importancia fundamental para el estudio de los
transitorios mecánicos a los que estará sometida la máquina.
2.2.4 Constante de tiempo térmica equivalente
La constante de tiempo térmica equivalente es la constante de tiempo que, en
reemplazo de otras individuales, determina aproximadamente la evolución de la
temperatura en un arrollamiento a consecuencia de una variación de corriente en
escalón.
Este parámetro es distinto según como se enfríe la máquina, manteniéndose la
ventilación correspondiente a las condiciones normales de funcionamiento será
igual tanto en calentamiento como en enfriamiento.
Esta constante describe aproximadamente, la evolución de la temperatura en
función de la carga. Generalmente se la determina a partir de la curva de
enfriamiento.
2.3 CONDICIONES NORMALES DE SERVICIO.
Una máquina en una instalación cualquiera está sometida a ciertas condiciones
impuestas por el ambiente, y que se denominan condiciones de servicio.
Las normas fijan condiciones normales de servicio e indican que criterios utilizar
cuando la instalación se aparta de ellas y en particular se refieren a:
 altitud de instalación
 temperatura del ambiente en que la máquina funciona.
El calor generado por las pérdidas que se producen en la máquina es cedido al
ambiente.
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Para cada estado térmico de la máquina el calor disipado depende de la temperatura
ambiente y de la densidad del aire refrigerante, y ambas varían con la altura siendo
entonces muy importante el estudio de las condiciones que no son las normales.
Por otra parte a cada estado térmico de la máquina corresponden distintas
temperaturas para cada uno de sus puntos internos, los elementos más sensibles a la
temperatura son los aislamientos que por lo tanto fijan la máxima temperatura
admisible (en estado transitorio y permanente).
Las normas fijan para cada parte de la máquina en función de la clase de
aislamiento las máximas sobreelevaciones de temperatura admisibles (diferencia
entre la máxima temperatura de la parte que se observa y la temperatura ambiente).
2.4 REFRIGERACION.
Refrigeración es la operación por la cual el calor proveniente de las pérdidas
producidas en la máquina es cedido a un medio refrigerante incrementando su
temperatura.
En una máquina con refrigeración a circuito abierto el fluido refrigerante se renueva
en forma permanente, entra fluido a temperatura menor y se devuelve al ambiente a
una temperatura mayor.
Se denomina fluido de refrigeración a un líquido o gas por medio del cual se extrae
el calor.
En las máquinas con refrigeración a circuito cerrado, donde este fluido no se envía
al exterior, es necesario un intercambiador de calor y la presencia de un segundo
fluido a menor temperatura que recibe el calor del primer fluido.
Cuando la máquina arranca partiendo de fría inicia un proceso transitorio de
calentamiento, inicialmente el calor generado se acumula en los materiales que
constituyen la máquina, la temperatura se incrementa hasta que se alcanza el
equilibrio térmico (régimen permanente) en el cual todo el calor generado es
disipado.
Equilibrio térmico es la condición alcanzada convencionalmente (de acuerdo con
las normas) cuando las temperaturas de las distintas partes de la máquina sometida a
un ensayo de calentamiento no varían más de 2 grados centígrados durante una
hora.
2.4.1 Modos de refrigeración de las máquinas rotativas.
Según el circuito en que se encuentra el fluido de refrigeración se denomina:
 Fluido primario, líquido o gas que estando a menor temperatura que una
parte de la máquina y en contacto con ella, retira el calor producido.
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 Fluido secundario, líquido o gas que estando a menor temperatura que el
fluido primario, retira el calor cedido por este último por medio de un
intercambiador de calor.
 Fluido final, entendiéndose como tal aquel al cual se transfiere finalmente
el calor (en máquinas abiertas o autoventiladas, el fluido final es también el
fluido primario).
Se denomina medio remoto al líquido o gas separado de la máquina del cual se
conduce el refrigerante y/o al cual se descarga por medio de caños o conductos de
entrada y/o salida, o en el cual se instala un intercambiador de calor externo.
Un intercambiador de calor es un componente que transfiere calor de un medio
refrigerante a otro manteniendo ambos medios separados.
Sistema de refrigeración de emergencia (stand-by) es un dispositivo de
refrigeración que se provee adicionalmente con el sistema de refrigeración normal y
que se utiliza cuando no está disponible el sistema normal.
Componente integral es aquella parte del circuito de refrigeración que está presente
en la parte interna de la máquina y que para ser reemplazado se debe desarmar
parcialmente la máquina.
Componente montado de un sistema refrigerante es la parte que se monta en la
máquina y forma parte de ella, pero que puede ser reemplazado sin actuar sobre la
parte principal de la máquina.
Componente separado de un sistema de refrigeración es aquel que está asociado con
la máquina pero que no está montado integralmente con ella (puede estar ubicado
en el medio envolvente o remoto de la máquina).
Componente de circulación dependiente es aquel que su funcionamiento está
supeditado o ligado con la rotación del rotor de la máquina principal (ventilador o
bomba conducido por esta máquina).
Componente de circulación independiente es aquel que no está vinculado con la
rotación del rotor de la máquina principal (tiene un motor de impulsión propio).
La norma IEC 34-6 que se refiere a máquinas eléctricas rotantes define los métodos
de refrigeración y establece una designación para los distintos circuitos utilizados.
La designación consiste en las letras IC seguidas por números y letras que
representan respectivamente la disposición del circuito, el refrigerante utilizado y el
modo de mover el medio refrigerante.
El número que indica la disposición del circuito es válido para los circuitos primario
y secundario.
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Cada circuito está designado por una letra que indica el tipo de refrigerante seguido
por un número que indica como se realiza el movimiento del mismo.
La letra y el número para el circuito primario se ubican en primer lugar, en segundo
lugar para el circuito secundario.
Se definen dos formas de designación, una simplificada, la otra completa. La
designación completa se utiliza principalmente cuando no tiene aplicación la
simplificada.
Se denomina disposición del circuito la forma como el fluido circula para extraer el
calor de la máquina.
La forma más simple es aquella en que el fluido es guiado desde el medio que rodea
la máquina a su interior y vuelve al medio que la rodea (circuito abierto).
Otro modo consiste en que el fluido primario circula en un circuito cerrado de la
máquina y cede el calor a través de la superficie externa de la máquina (lisa o con
nervaduras).
Otra disposición es aquella en que el fluido primario circula en un circuito cerrado y
cede el calor a través de un intercambiador que puede ser integral, montado o
separado de la máquina.
La naturaleza del fluido de refrigeración está identificada por una de las siguientes
letras:
Letra característica
Refrigerante
A
Aire
F
Freón
H
Hidrógeno
N
Nitrógeno
C
Dióxido de carbono
W
Agua
U
Aceite
S
Otro refrigerante
Y
No definido
Cuando se adopta la designación simplificada y se utiliza como refrigerante el aire,
la letra característica puede omitirse.
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Se utiliza la letra "S" cuando el refrigerante se define en otro lugar, por ejemplo en
la documentación técnica o comercial.
Cuando no está definido el fluido se utiliza temporariamente la letra "Y" que
finalmente debe ser reemplazada por la letra correspondiente.
En ciertos turbogeneradores de gran potencia donde los problemas de refrigeración
se tornan críticos, los arrollamientos son refrigerados en modo directo haciendo
circular el fluido dentro de los conductores que son huecos.
En otros casos se utilizan tubos o canales que forman parte integral del
arrollamiento en el interior de la aislación principal.
Normalmente los arrollamientos se refrigeran en forma indirecta, es decir, el flujo
térmico se establece desde las fuentes de calor (arrollamientos) hacia las superficies
en contacto con el fluido.
Producción de corriente alterna (senoidal)
Si hacemos girar una espira en el interior de un campo
magnético, se inducirá en cada conductor una fuerza
electromotriz inducida de valor:
e =  · L · v · sen 
Siendo  el ángulo entre la inducción magnética y la
velocidad o sentido del movimiento que, como se ve en la
figura, varía de 0º a 360º a cada vuelta del conductor.
Si la espira está formada por un conductor de ida y
otro de vuelta, en la espira se induce una f.e.m.:
e = 2 ·  · L · v · sen 
Si la bobina tiene Ne espiras:
e = 2 · Ne ·  · L · v · sen 
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Si mantenemos constante la inducción del campo y la velocidad de giro, siéndolo
también el número de conductores y la longitud de los mismos, tendremos:
2 · Ne ·  · L · v = emax  Constante
e = emax · sen 
Como puede deducirse de la fórmula la f.e.m. resultante tendrá forma senoidal.
Si además expresamos el ángulo girado en función de la velocidad angular:
 =  / t   =  ·t
e (t) = emax · sen  ·t
Donde  ·t representa el ángulo girado en radianes, siendo  la velocidad angular en
rad/s.
El circuito inductivo L en corriente alterna
Al circular una corriente alterna por una bobina da lugar a una tensión alterna en sus
extremos.
LA TENSIÓN EN EXTREMOS DE UNA BOBINA ESTÁ ADELANTADA 90º RESPECTO A LA
INTENSIDAD QUE CIRCULA POR ELLA
VALOR EFICAZ
VALOR COMPLEJO
I
I |0º
Z = xL =  · L
V
V |90º
Z |90º = ( ·L)·i
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VALOR INSTANTANEO
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IMPEDANCIA
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Impedancia de una bobina
Se llama IMPEDANCIA (Z) de un elemento cualquiera a la oposición
que ofrece al paso de una corriente alterna. En el caso de una bobina
la impedancia se llama reactancia inductiva o inductancia:
Z = xL =  · L En forma compleja: Z |90º =  ·L·i
Ley de Ohm generalizada a corriente alterna
V = Z · I  en el caso de una bobina  V = XL · I
En forma compleja: V|90º = Z |90º · I |0º
Potencia en corriente alterna
Al circular una corriente alterna por una impedancia se desarrolla una potencia en la
misma que es el producto de la tensión y la corriente instantáneas:
Transformando el producto de senos en diferencia de
cosenos:
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El resultado es la suma de un valor constante
P=V·I·cos --- potencia activa
más un valor senoidal de frecuencia doble a la de
la tensión y la intensidad
 ’ = 2 --- potencia reactiva
 =ángulo de I a V
=V-
I
El valor constante es el valor medio de la potencia e indica la realmente transformada,
mientras que la componente senoidal se está absorbiendo y devolviendo a la red
alternativamente.
La potencia puede descomponerse en el llamado triángulo de potencias:
TRIÁNGULO DE POTENCIAS
POTENCIA
APARENTE
POTENCIA
ACTIVA
POTENCIA
REACTIVA
POTENCIA APARENTE
(VA) Voltioamperios
POTENCIA ACTIVA
(W) Vatios
POTENCIA REACTIVA
(VAr) Voltioamperios reactivos
Es la potencia total desarrollada en la impedancia, combinación de las
otras dos, y para ella debe de estar dimensionada la instalación.
Representa la potencia realmente aprovechada en la impedancia.
Es absorbida durante ¼ de periodo y devuelta a la red en el ¼ de
periodo siguiente por el receptor.
Las potencias en una impedancia también se pueden calcular:
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Aparente:
--- Activa:
--- Reactiva:
Potencia compleja
En forma compleja la potencia se puede calcular como producto complejo de la tensión
por la conjugada de la intensidad.
La conjugada tiene el mismo módulo que la intensidad y el ángulo cambiado de signo,
para que el producto de la diferencia de ángulos y no la suma ( =  V -  I).
Factor de potencia
En corriente alterna la potencia realmente
desarrollada en el receptor (potencia activa),
responde a la fórmula:
Esta potencia puede ser menor que V·I ya que se ve afectada por un factor que puede
variar entre cero y uno. Este factor recibe el nombre de factor de potencia:
FACTOR DE POTENCIA: Coseno del ángulo que forman la intensidad y la tensión.
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0  F.d.p.  1
La instalación ideal será aquella que tiene factor de potencia unidad:
 = 0º  cos  = 1
En este caso la tensión y la intensidad están en fase y la potencia activa coincide con la
potencia aparente, siendo nula la potencia reactiva. De este modo la potencia realmente
transformada coincide con la total y la instalación no necesita ser sobredimensionada, ni
es preciso suministrar en ningún momento una potencia mayor de la que realmente se va
a transformar.
Se admiten como buenos F.d.p. = 0,8 e incluso menores, pero por debajo de 0,7, las
compañías eléctricas pueden penalizar el consumo y por debajo de 0,5 pueden llegar a
cortar el suministro.
Generación de CA trifásica
Haciendo girar una espira en un campo
magnético se puede conseguir una corriente
alterna senoidal (monofásica).
Para evitar el enrrollamiento de los
conductores es necesario dotar al conjunto
de unos anillos rozantes.
Si en vez de una única espira hacemos girar
tres espiras a 120º (360º/3) unas de otras,
se consiguen tres tensiones alternas
senoidales de igual frecuencia y amplitud
pero defasadas 120º entre sí:
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Física - Básica
Para sacar las tensiones al exterior sería necesario un
sistema de anillos rozantes y escobillas colectoras que a
las tensiones usuales, de 10 a 20 kV, generan ciertos
problemas eléctricos y mecánicos.
En los alternadores modernos se sitúan las bobinas en el
estator dotando al rotor de un potente electroimán que, al
ser alimentado por una corriente continua, genera el
campo magnético. Se evita de esta forma el complejo
sistema de anillos colectores.
Existen dos formas básicas de conexión de estas bobinas a las líneas exteriores:
conexión en estrella y conexión en triángulo.
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Tensión simple o de fase: Cada bobina del alternador trifásico se comporta como un
generador monofásico, generando entre sus terminales una tensión denominada simple
o de fase.
Tensión compuesta o de línea: De cada borne 1, 2 y 3 de la figura sale un conductor de
línea. A la tensión entre dos líneas se le denomina compuesta o de línea.
En el caso de la conexión estrella puede existir un cuarto conductor NEUTRO (saliendo
del borne 0). Las tensiones de una línea al neutro coinciden con las tensiones en cada
bobina, siendo por tanto tensiones de fase.
Factor de potencia
FACTOR DE POTENCIA: Coseno del ángulo que forman la
intensidad de fase y la tensión de fase. Este ángulo será igual al
de la impedancia conectada.
0  F.d.p.  1
Motor asíncrono trifásico. Principio de funcionamiento
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Se dispone de un imán en forma de U, de tal forma que pueda
girar por su eje central mediante una manivela. Muy próximo a
los polos se situa un disco de material conductor no magnético
(cobre o aluminio), de tal forma que también pueda girar. Al
hacer girar el imán permanente se puede observar que el disco
también gira, pero a un poco menos velocidad que el imán.

El imán en su giro corta el disco que es conductor induciendo f.e.m. y creando
corrientes.

Las corrientes interactúan con el campo del imán dando lugar a fuerzas que
provocan el giro del disco.
En los motores asíncronos el campo giratorio lo produce un sistema de C.A. trifásica,
cuya velocidad de giro dependerá de la frecuencia de las corrientes y del número de
pares de polos de que conste el motor:
VELOCIDAD DE SINCRONISMO
En la figura de la izquierda puede verse el bobinado de una
máquina de un sólo par de polos. Cada ciclo de red el
campo magnético giratorio da una vuelta completa.
Para una frecuencia de la red de 50 Hz, el campo da 50
vueltas por segundo, esto es, 3000 r.p.m.
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Física - Básica
A la derecha puede verse el bobinado de una máquina de
dos pares de polos. Cada ciclo de red el campo magnético
giratorio da media vuelta.
Para una frecuencia de la red de 50 Hz, el campo da 50/2
vueltas por segundo, esto es, 1500 r.p.m.
Como puede deducirse de la fórmula, la velocidad de sincronismo, velocidad con la que
gira el campo magnético, será submúltiplo de 60· f, es decir de 60x50 = 3000 r.p.m. en
Europa, ya que la frecuencia de la red es de 50 Hz. Para un número de pares de polos
diferente de la unidad (siempre un número entero) surgirán velocidades inferiores.
Velocidad para una frecuencia de 50 Hz
Pares de polos
Polos
r.p.m.
1
2
3000
2
4
1500
3
6
1000
4
8
750
5
10
600
6
12
500
Motor asíncrono de rotor en cortocircuito
ESTATOR
Parte fija del motor formada por paquetes de chapa magnética que alojan en ranuras a
las bobinas que van a crear el campo magnético giratorio.
Estas bobinas pueden estar conectadas en estrella o en triángulo.
Por ejemplo un motor de 380/220 V se podrá conectar a una red de 380 V en estrella o a
otra de 220 V en triángulo. En cualquier caso cada bobina estará a la tensión de fase de
220 V.
Esto es así porque la tensión que soporta cada bobinado conectado en estrella es raiz de
tres veces menor que conectado en triángulo.
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Física - Básica
ROTOR
Parte del motor que va a girar y que está formada por paquetes
de chapa magnética de forma cilíndrica en torno a un eje, con
ranuras en las que se alojan conductores de aluminio
cortocircuitados en sus extremos por medio de anillos (Jaula de
ardilla).
DESLIZAMIENTO
El rotor nunca girará a la velocidad de sincronismo, ya que si iguala la
velocidad de giro del campo del estator, las líneas de fuerza no cortarían
a los conductores y no se generarían f.e.m., ni corrientes, ni par para
mantener el movimiento.
Se llama deslizamiento a la diferencia entre la velocidad a la que gira el
rotor y la velocidad de sincronismo, normalmente dada en % de la de
sincronismo.
ARRANQUE
Al estar los conductores del rotor en reposo, son cortados por el campo giratorio a gran
velocidad, lo que crea grandes f.e.m. inducidas que dan lugar a grandes intensidades en
el arranque acompañadas de un fuerte par de arranque.
CARGA
Girando el motor en vacío, la velocidad del rotor es muy próxima a la del campo del
estator siendo esta pequeña diferencia la que permite al campo cortar los conductores
del rotor induciendo pequeñas f.e.m. y pequeñas intensidades suficientes para crear el
par necesario.
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Física - Básica
Si aumenta el par que debe realizar el motor, éste baja su velocidad, aumentando el
deslizamiento e induciendo mayores f.e.m. y corrientes, capaces de provocar el aumento
de par necesario.
CARACTERÍSTICA PAR-VELOCIDAD
Los motores asíncronos trifásicos tienen aproximadamente las siguientes características:

Par de arranque de 1,5 a 2 veces el nominal.

Par máximo de 2 a 3 veces el nominal a una velocidad del 80% de la de
sincronismo.

Par nominal con un deslizamiento del 2% al 8%.
La relación del par máximo y el nominal (Cmax/Cn) se denomina capacidad de sobrecarga.
El punto de funcionamiento del motor es la intersección de la curva del par motor con la
del par resistente. Esto ocurre para el par nominal del motor en torno al 92-98% de la
velocidad de sincronismo (zona de la derecha de la curva).
Si el par resistente disminuye, la intersección tiene lugar más a la derecha, a una
velocidad algo mayor, mientras que si el par resistente aumenta, el motor reduce su
velocidad.
Motor asíncrono de rotor bobinado o de anillos rozantes
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Física - Básica
En estos motores, el estator posee las mismas características que el motor con rotor en
cortocircuito, pero el rotor se construye insertando un devanado trifásico en las ranuras
de un núcleo cilíndrico de chapas magnéticas.
Este devanado se conecta normalmente
en estrella y los tres terminales restantes
se conectan a tres anillos rozantes que a
través de unas escobillas permiten la
conexión exterior de unas resistencias
para limitar la corriente rotórica.
La inserción de estas resistencias permite la reducción de la intensidad de arranque
manteniendo un buen par que incluso puede ser máximo en el arranque.
Su inconveniente es su mayor precio y coste
de mantenimiento, llegando casi a
desaparecer en la actualidad debido a los
sistemas electrónicos de arranque para el
motor de rotor de jaula.
1. Se conecta KM1.
2. Temporización.
3. Se conecta KM2.
4. Temporización.
5. Se conecta KM3.
Balance de potencias y par motor
El diagrama siguiente representa la evolución de la potencia en un motor asíncrono,
desde la potencia absorbida de la red hasta la potencia útil en el eje, siendo q1 el número
de fases del estator y q2 el número de fases del rotor:
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Física - Básica
La potencia total absorbida de la red por el
estator va sufriendo ciertas pérdidas:
Cada pérdida va generando una nueva
potencia en el motor hasta llegar a la
potencia útil:

Pérdidas en el cobre del estator.

Potencia del campo magnético.

Pérdidas en el hierro del estator.

Potencia electromagnética.

Pérdidas en el cobre del rotor.

Potencia mecánica interna.

Pérdidas mecánicas.

Potencia útil
La relación de la potencia útil con la absorbida nos da el rendimiento del motor, que suele
darse en tanto por ciento, y su relación con la velocidad del motor en rad/s nos da el par
útil en N· m, que se igualará al par resistente, producto de la fuerza por la distancia
(normalmente el rádio de la polea utilizada).
Es interesante conocer la variación sufrida por el par motor en función de la tensión y la
frecuencia:
El par es directamente
proporcional al cuadrado
de la tensión.
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El par es inversamente
proporcional al cuadrado
de la frecuencia
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Física - Básica
GENERADORES ELÉCTRICOS
El generador eléctrico es la parte más importante del equipo en una termoeléctrica ya que es el
que genera energía eléctrica a partir de energía mecánica, el cual es el objetivo que se quiere
conseguir cuando la planta es construida.
Existen tres tipos de generadores eléctricos rotatorios : Sincrónicos de corriente alterna (ca),
inducción de ca y rotatorios de corriente directa (cd). Los generadores sincrónicos son los de mayor
uso debido a su sistema de excitación, en cambio, los generadores de cd han sido reemplazados casi
por completo por rectificadores estáticos de silicio.
Generadores sincrónicos
El principio fundamental de operación de los generadores sincrónicos, es que el movimiento
relativo entre un conductor y un campo magnético induce un voltaje en el conductor. Una fuente
externa de energía cd o excitador se aplica a través de unos anillos colectores en el rotor: La fuerza
del flujo, y por lo tanto, el voltaje inducido en la armadura se regulan mediante la corriente directa y el
voltaje suministrado al campo. La corriente alterna se produce en la armadura debido a la inversión
del campo magnético a medida que los polos norte y sur pasan por los conductores individuales.
La disposición mas común es la de un electroimán cilíndrico que gira dentro de un conjunto de
conductores estacionarios. En las siguientes figuras se muestran tanto al electroimán o también
llamado campo y los conductores que constituyen la armadura.
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.
Los generadores de corriente alterna de baja velocidad se fabrican con hasta 100 polos, para
mejorar su eficiencia y para lograr con más facilidad 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.
Existen dos parámetros que limitan la producción de energía eléctrica de un generador:
Saturación de la densidad de flujo. A medida que se incrementa la corriente de excitación del campo,
se alcanza un punto donde la densidad del flujo no aumenta más debido a la saturación del hierro en
el núcleo. Lo normal es que la capacidad del generador se encuentre cerca de este punto de
saturación de flujo.
Elevación de la temperatura en el devanado y en el aislamiento debido a las pérdidas. Esto
comprende a las pérdidas debidas a la corriente de excitación en el devanado del campo, la corriente
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Física - Básica
alterna en el devanado de la armadura, el circuito magnético y cualesquiera corrientes parásitas o
campos magnéticos que se generen. Dichas pérdidas pueden llegar a ser del 1 al 5% o más de la
cantidad de energía que se transforme.
Los generadores sincrónicos también tienen su propia clasificación la cual es por el sistema de
excitación y por su sistema de enfriamiento.
1. Generadores enfriados por aire:
Estos generadores se dividen en dos tipos básicos: abiertos ventilados (OV, open ventilated) y
completamente cerrados enfriados por agua a aire (TEWC, totally enclosed water to air cooled).
Los generadores de tipo OV fueron los primeros construidos y que en algunas plantas de
tamaño pequeño se utilizan. El aire en este tipo de generadores pasa sólo una vez por el sistema y
considerable cantidad de materias extrañas que pueden acumularse en las bobinas, interfiriendo la
transferencia de calor y afectando adversamente al aislamiento. Se pueden usar filtros que puedan
reemplazarse o limpiar, para mantener limpios los embobinados. En la siguiente figura se muestra un
corte de un generador OV y el patrón de ventilación.
Los generadores tipo TEWC (Figura Nº 78), son un sistema de enfriamiento cerrado, donde el
aire recircula constantemente y se enfría pasando a través del tubo del enfriador, dentro de los cuales
se hace pasar agua de circulación. La suciedad y materias extrañas no existen en el sistema, y
puesto que se tiene agua de enfriamiento disponible, la temperatura del aire puede mantenerse tan
baja como se desee.
2. Generadores enfriados por hidrógeno:
Los generadores de mayor capacidad, peso, tamaño y los más modernos, usan hidrógeno para
enfriamiento en vez de aire en circuito de enfriamiento cerrado. El peso del hidrógeno es
aproximadamente 1/16 del aire y con una alta capacidad térmica, esto significa, que las pérdidas de
viento, se reducen por su uso y el calor removido y transferido a los enfriadores es satisfactorio.
Cuando el hidrógeno se mezcla con el oxígeno en proporciones de 20 a 85% en total, la mezcla es
explosiva, y se debe tener ciertas precauciones para evitar una avería.
El enfriamiento convencional con hidrógeno puede usarse en generadores con capacidad
nominal aproximada de 300 MVA o menos, mucho mayor a los generadores enfriados por agua (cuya
construcción es mucho más compleja) que llegan a un máximo de 250 MVA.
Generalmente los generadores se construyen con sistema de enfriamiento por hidrógeno
cuando son unidades con capacidades de 100 MVA o más (Figura Nº 79).
3. Generadores enfriados por hidrógeno / agua
Pueden lograrse diseños de generadores aun más compactos mediante el uso de enfriamiento con
agua directo al devanado de la armadura del generador (Figura Nº 80). Estos diseños emplean
torones de cobre a través de los cuales fluye agua desionizada. El agua de enfriamiento se suministra
vía un circuito cerrado.
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Física - Básica
El voltaje y la corriente de armadura de los generadores enfriados por hidrógeno / agua son
bastantes mayores que los enfriados por aire o hidrógeno. Como resultado unidades de mayor
capacidad tanto en los voltajes como en las fuerzas que experimentan las unidades generadoras.
Generadores de Inducción.
El estator de un generador de inducción es similar al de un generador sincrónico. El rotor se
diferencia del rotor de un generador sincrónico en que no hay excitación y los conductores se
encuentran unidos en corto en los extremos del rotor mediante un anillo anular. Esta distribución se
parece a una jaula de ardilla, lo que origina el nombre de este tipo de devanado. La carga del
generador crece según se incrementa la velocidad, por lo que el generador es autorregulante y puede
usarse sin control de un regulador.
Los generadores de inducción no pueden funcionar de manera independiente en un sistema
aislado, ya que estos generadores no son auto excitantes. Debido a esto, un generador de inducción
siempre se debe usar en paralelo con generadores sincrónicos que regulan el voltaje y suministran los
kilowatts necesarios para vencer la potencia retrasada de la generación por inducción. Otra manera
de funcionar de dichos generadores es con un banco de capacitores que le entreguen la corriente
retrasada para la excitación.
Los generadores de inducción son más sencillos y de menor costo inicial que los generadores
sincrónicos. Se han utilizado para recuperar energía mediante la expansión de corrientes de gas de
desecho y vapor a baja presión. En algunos usos, una turbina de recuperación de energía o un
dispositivo de expansión, impulsa un motor generador de inducción y otra bomba o compresor en la
misma flecha. El motor generador puede suministrar o absorber el par torsor cuando la potencia de
los otros dispositivos esta desbalanceada.
Generadores de Corriente Directa.
El principio de operación de los generadores de cd es muy similar a los generadores de ca
(Figura Nº 81). La armadura del generador de cd 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 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.
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Física - Básica
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
generador 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.
Estos tipos de generadores ya no son de gran uso sólo cuando se trabajan para proporcionar
energía para equipos de velocidad variable. Los avances en las fuentes de energía de cd con los
rectificadores de silicio han reducido el mercado parea los generadores de cd, principalmente por las
piezas de reemplazo y reparación.
Sistema de excitación
La función principal del sistema de excitación es suministrar energía en forma de voltaje y
corriente directa al campo generador, creando el campo magnético. Así mismo, el sistema de
excitación comprende el equipo de control y protección, que regula la producción eléctrica del
generador. En el diseño de los sistemas complejos de transmisión de energía, las características de
desempeño y protección del sistema de excitación deben evaluarse con tanto cuidado como las
características de diseño del equipo.
El voltaje de excitación es un factor esencial en el control de la salida del generador. Una
característica deseable de un sistema de excitación es que este sea capaz de producir con rapidez
altos niveles de voltaje de excitación después de un cambio en el voltaje terminal. Además del voltaje
que se requiere en el equipo se necesita que la respuesta sea de manera rápida y a los niveles que
se requiere.
Existen varios sistemas de excitación el cual se clasifican según la fuente de energía del
excitador:
· Generador de cd con conmutador.
· Generador de ca y rectificadores estacionarios.
· Generador de ca y rectificadores rotatorios (sin escobillas).
· Transformadores en el generador principal y rectificadores (excitación estática).
En la figura Nº 82 se muestra un diagrama esquemático de un generador de cd.
La energía de excitación se toma del conmutador en el rotor del generador del rotor y se aplica
al campo rotatorio del generador principal a través de los anillos colectores. El voltaje de salida del
generador principal se controla mediante un regulador de voltaje que varía la excitación del estator del
generador de cd.
En la figura Nº 82 se muestra de manera esquemática el sistema rectificador estacionario. El
sistema excitador de ca tiene un campo rotatorio, al igual que el generador principal. La salida del
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excitador se toma de los devanados estacionarios de la armadura y se convierte a cd mediante los
rectificadores de diodo de silicio y se aplica al campo rotatorio del generador de cd, excepto que la
excitación hacia el campo rotatorio del excitador se transfiere a través de los anillos colectores. Este
tipo de sistema se emplea en los generadores de más de 400000 kVA donde la potencia de excitación
puede alcanzar los 7000kW.
En la figura Nº 84 aparece un sistema alternativo de excitación de ca conocido como rectificador
rotatorio o sin escobillas. Este sistema invierte el campo del excitador y de la armadura y elimina por
lo tanto ambos juegos de anillos colectores de aquí su nombre de excitador sin escobillas. El voltaje
de salida del generador principal se controla mediante el campo excitador en el estator.
En el sistema estático de excitación (Figura Nº 85) elimina la necesidad de un generador
independiente para la excitación. La potencia de excitación es suministrada por las terminales del
generador principal a través de transformadores de excitación. La salida controlada de ca de los
transformadores se convierte a cd mediante rectificadores de diodo de silicio y se aplica al campo del
generador principal a través de los anillos colectores.
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