Máquinas eléctricas: Máquinas rotativas de corriente alterna

Máquinas eléctricas: Máquinas rotativas de
corriente alterna
Ya has visto en temas anteriores el estudio de los motores de corriente continua y la
clasificación de las máquinas, pues bien, ahora vas a estudiar las máquinas de corriente
alterna que son las que más se utilizan a nivel doméstico e industrial.
Hoy en dia es necesario disponer de máquinas que nos proporcionen la energía eléctrica
necesaria así como motores que podamos utilizar tanto en uso doméstico como en la
industria. Como ya sabes la corriente que habitualmente utilizamos es alterna de ahí la
importancia que tienen estas máquinas en electrotecnia.
Pero ¿cuándo utilizar una máquina monofásica y una trifásica?
Para potencias pequeñas se utilizan las maquinas monofásicas y para grandes potencias
vamos a utilizar las trifásicas.
Imagen 1. Fuente: Banco de imágenes del ITE.
Creative Commons
En este tema también vas a ver como se genera la electricidad, para ello utilizaremos los
generadores o alternadores y descubrirás que las máquinas rotativas pueden funcionar tanto
como generador como motor, por lo tanto podemos decir que son máquinas reversibles.
No obstante aunque se van a ver las diferentes posibilidades de trabajo de las máquinas
rotativas de corriente alterna podemos decir que salvo excepciones la maquinas síncronas
van a funcionar como alternadores y las asíncronas como motores.
1. Máquinas síncronas
Lo primero que tenemos que saber es que una máquina síncrona puede funcionar como
alternador o como motor, si bien en el caso de las máquinas síncronas es más común el uso
de las mismas como alternadores.
Por lo tanto podremos decir que un alternador síncrono va a ser aquel que gira a una
velocidad constante que transforma la energía mecánica en energía eléctrica, esta energía
eléctrica va a ser alterna.
Si lo que hacemos es transformar energía eléctrica en mecánica, la máquina síncrona estará
funcionando como motor.
Dependiendo de la potencia de la máquina nos podemos encontrar con las siguientes
constituciones:
a. Máquinas superiores a 5KVA el devanado inducido está en el estator encajado en
unas ranuras y el devanado inductor, alimentado por corriente continua, en el rotor.
b. Máquinas inferiores a 5KVA los devanados se colocan de forma inversa, igual que en
las máquinas de corriente continua.
Fíjate que hemos dicho que la corriente de excitación es continua, ¿eso qué significa?, pues
sencillamente que la velocidad de giro solo puede ser la sincrónica, que vendrá dada por:
Donde es la velocidad en r.p.m, f es la frecuencia y p el número de polos
Dependiendo del número de fases del devanado inducido, las máquinas síncronas se pueden
clasificar en monofásicas y polifásicas.
En función de la forma del inductor las podremos clasificar en maquinas de rotor de polos
salientes o en máquinas de rotor cilíndrico.
El comportamiento de las máquinas síncronas es muy parecido al de las máquinas de
corriente continua que ya has estudiado, con la salvedad de que en las síncronas se induce
una tensión alterna producida por un campo de excitación que también es constante.
Tenemos un motor síncrono de 4 pares de polos conectado a una red de frecuencia 400
Hz ¿cuál será la velocidad de sincronismo?
Calcular el número de pares de polos que tiene un motor síncrono que gira a 750 r.p.m
cuando está conectado a una red de frecuencia 50 Hz.
2. Alternador síncrono
El alternador síncrono es el generador de electricidad por excelencia, casi toda la energía
eléctrica que utilizamos hoy en día está producida por este tipo de máquinas.
Como ya sabes la corriente que utilizamos es alterna, por lo tanto nos interesará que la
onda de excitación se aproxime lo más posible a la senoide, ocurre que en las máquinas
síncronas de polos salientes por su constitución generan una onda rectangular, entonces te
preguntarás como conseguimos una senoide pues muy sencillo, variaremos el valor del
entrehierro con un valor mínimo en el centro. Para conseguir esto constructivamente se
fabrican entrehierros de diferentes formas.
Al girar el rotor con la máquina excitada, el devanado del estator inducirá una fuerza
electromotriz alterna, cuya forma de onda variará en función de su frecuencia de rotación.
A continuación vamos a ver cómo podemos calcular la tensión en bornes de una máquina
síncrona.
Circuito equivalente de la máquina síncrona funcionando como alternador.
Toda máquina eléctrica va a estar bajo los efectos de una resistencia óhmica y de un flujo
magnético, por lo tanto vamos a ver cómo será esa tensión en bornes del alternador.
Pero recuerda que:
Por lo tanto llegamos a:
Tienes que saber que no se han tenido en cuenta las pérdidas mecánicas ni las pérdidas
magnéticas. Este tipo de pérdidas en las máquinas síncronas se obtienen con unos ensayos
característicos que no son objetivo de este curso.
Repasa como se obtiene la energía eléctrica en los diferentes tipos de centrales.
3. Motor síncrono
El motor síncrono apenas se utiliza, es por este motivo por el que nos vamos a centrar en
dar algunas nociones pero sólo en cuanto al motor monofásico debido a que el estudio del
motor síncrono trifásico es de una gran complejidad lejos de los objetivos de este curso.
Como ya has podido leer en la introducción, los motores de corriente alterna monofásicos los
vamos a utilizar cuando la potencia requerida es pequeña o bien cuando o cuando el factor
de potencia o el rendimiento no son factores muy importantes.
Un motor monofásico tiene un solo bobinado en el estator, lo que hace que la corriente
genere un flujo de dirección constante, lo que va a provocar que el motor no pueda girar por
sí solo.
Un motor asíncrono monofásico no puede arrancar por sí solo. No tiene par de arranque.
Cuando conseguimos por algún método, que el motor arranque, al girar se generarán unas
fuerzas electromotrices en sus conductores que generarán, según la regla de la mano
derecha que ya estudiaste en una Unidad Didáctica anterior un flujo magnético
perpendicular al flujo principal creado en el estator y esto provocará que el rotor continúe
en movimiento.
De esto se deduce que para que un motor monofásico arranque vamos a necesitar algún
dispositivo auxiliar que permita ponerlo en funcionamiento.
Arranque por motor auxiliar
Este método consiste en hacer girar el motor síncrono con la ayuda de un motor de corriente
continua hasta que alcance (o se aproxime mucho) a la velocidad síncrona, momento en el
que se acoplará a la red eléctrica y desconectaremos el motor auxiliar.
Circuito equivalente de una máquina síncrona funcionando como motor
Antes has visto el circuito equivalente funcionando como alternador, ahora vas a ver que
funcionando como motor existe una variación.
Donde obtenemos que:
Date cuenta que el signo trabajando como alternador o como motor varía.
Rellena los huecos en blanco:
El arranque por motor auxiliar consiste en hacer
el motor síncrono con la
ayuda de un motor de corriente
hasta que alcance (o se aproxime
mucho) a la velocidad
, momento en el que se acoplará a la red
eléctrica y
el motor auxiliar.
Comprobar
4. Alternador asíncrono
Como ya te adelantamos en la introducción las máquinas asíncronas pueden funcionar también
como generadores, lo que ocurre es que tienen algunos problemas que hacen que su uso sea
muy limitado. Estos problemas van a ser los siguientes:
Imposibilidad de generar potencia reactiva.
No es una máquina autoexcitable, es decir necesita de que otras máquinas le
proporcionen corriente magnetizante.
Debido a estos dos problemas el uso de los generadores asíncronos queda limitado, no
obstante al no exigir la sincronización con la red y que son máquinas muy robustas y
economicas en algunos casos su uso queda justificado.
Dada la complejidad de estas máquinas y su escasa utilización no vamos a profundizar en
ellas.
Si quieres saber mas sobre generadores asíncronos o de inducción aqui te dejo un
enlace donde podrás profundizar, pero recuerda que no es objetivo de este curso.
Generadores asíncronos o de inducción
5. Motor asíncrono
Motor asíncrono
El motor asíncrono trifásico podemos decir que es el motor más utilizado en la industria,
sobre todo por su robustez y sencillez de funcionamiento.
El motor asíncrono tiene muchas similitudes con los motores de corriente continua, como
cualquier máquina rotativa consta de dos partes:
a. Rotor: Es la parte móvil del motor, está formada por láminas magnéticas formando una
corona rotórica en la cual encajaremos el devanado rotórico. El rotor puede ser de dos
tipos:
En Jaula de ardilla.
Rotor bobinado.
b. Estator: Es la parte fija de la máquina formado por una serie de láminas aisladas entre
sí. En el estator se coloca un devanado que tiene que tener el mismo número de fases que
la red a la que está conectada.
Motor de jaula de ardilla
El rotor está constituido por una serie de barras dispuestas en las ranuras de la corona
rotórica unidas en sus extremos a dos anillos. El par de arranque es pequeño y la intensidad
que absorben es elevada.
Imagen 4. Rotor de jaula de ardilla.
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
Motor de rotor bobinado
En las ranuras de la corona rotórica se insertan los devanados unidos por un punto común.
Este tipo de motor tiene unos anillos de cobre, denominados "anillos rozantes" que giran con
el eje, haciendo contacto con el eje que van a permitir conectar los devanados rotóricos con
el exterior.
5.1. Funcionamiento del motor asíncrono
Cuando estudiaste en este mismo tema el funcionamiento de la máquina síncrona acuérdate
que hablamos de la velocidad de sincronismo, pues bien, un motor asíncrono se va a
caracterizar por tener una velocidad un poco inferior a la síncrona.
Vamos a ver como se origina un campo giratorio. En el estator vamos a tener tres
devanados desfasados 120º, las máquinas síncronas tienen una caja de bornes que nos va a
permitir conectar los devanados en estrella o en triángulo, tal y como puedes ver en la
figura siguiente:
Imagen 6. Conexionado de un motor.
Elaboración propia con Paint
La evolución de las ondas con el tiempo va a ser la siguiente:
Imagen 7. Ondas trifásicas.
Elaboración propia creada con Graph
Puedes observar como en los instantes 1, 2, 3, 4, 5 las corrientes que atraviesan las fases
¿Como invertirías el sentido de giro de un motor?
Si la velocidad del rotor fuera mayor que la de sincronismo, el motor funcionaría como
generador.
Sabemos que un motor asíncrono de 2 pares de polos conectado a una frecuencia de 50
Hz gira a una velocidad de 1.450 r.p.m.
¿Cuál es el valor del deslizamiento?
Es importante saber que el deslizamiento es
Donde
: es la velocidad de sincronismo.
: es la velocidad de giro del rotor.
5.2. Balance de potencias. Rendimiento
Balance de potencias
Ya sabes que la potencia eléctrica viene determinada por la siguiente expresión:
Pero si la máquina que tenemos es polifásica ocurre que la fórmula de la potencia va a ser:
Donde
va a ser el número de fases.
Ahora bien, en temas anteriores has estudiado que cualquier elemento conectado a la red
eléctrica tiene unas pérdidas debidas al efecto Joule, estas pérdidas las vamos a denominar
pérdidas en el cobre, así pues en el devanado estatórico tendremos que:
Donde
es la corriente que circula por el estator y
estatórico.
la resistencia del devanado
Teniendo en cuenta estas pérdidas en el estator llegamos a que la potencia disponible para
crear un campo magnético va a ser:
También tenemos que tener en cuenta las pérdidas en el núcleo de hierro debido a la
histéresis y a las corrientes de Foucault, por lo tanto la potencia que atraviesa el entrehierro
será:
Hasta ahora hemos visto las pérdidas en el estator y en el hierro, aun nos faltan por ver las
pérdidas en el cobre del rotor debidas también al efecto Joule.
Por tanto la potencia mecánica en el rotor será:
Por último tenemos que añadir unas pérdidas que si bien no son originadas por la corriente o
por el campo magnético también tienen que ser tenidas en cuenta, estas son las pérdidas
mecánicas por rozamiento de las partes móviles de la máquina.
Una vez restadas todas las pérdidas de potencia vamos a llegar a la potencia útil, que será la
que realmente vamos a aprovechar:
Con el siguiente esquema te quedará más claro el balance de potencias:
Imagen 8: Balance de potencias.
Elaboración propia creada con paint
Cuál será el rendimiento de un motor conectado a una tensión de 380 V y 50Hz de
frecuencia que mueve un par resistente de 30 N*m a una velocidad de 1450 r.p.m. Si
el factor de potencia es de 0,85 y la intensidad de línea que consume el motor es de
15 A.
Calcular:
Tienes que recordar de temas anteriores la relación existente entre el par y la
velocidad del motor.
5.3. Arranque de motores asíncronos
Cuando arrancamos un motor asíncrono necesitamos una gran corriente que puede hacer que
los usuarios conectados a esa misma línea noten una caída de tensión que pueda alterar el
normal funcionamiento de sus equipos eléctricos.
Esto es debido a que los motores asíncronos tienen un elevado par de arranque, para evitar
el aumento de la corriente se utilizan diferentes métodos de arranque.
En el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (RBT) viene recogida la corriente de
arranque de los motores trifásicos según su potencia:
De 0,75 Kw a 1,5Kw inferior a 4,5 veces la intensidad nominal.
De 1,5 Kw a 5 Kw inferior a 3 veces la intensidad nominal.
De 5 Kw a 15 Kw inferior a 2 veces la intensidad nominal.
Más de 15 Kw inferior a 1,5 veces la intensidad nominal.
Recuerda: Que la intensidad nominal es la corriente necesaria para que un equipo
funcione en condiciones optimas de rendimiento.
Arranque con impedancia en el estator
Lo que pretendemos añadiendo una impedancia al estator es limitar la tensión en los bornes
del estator de la máquina. En el primer momento del arranque tenemos todas las
resistencias, posteriormente vamos desconectándolas todas poco a poco. El esquema sería el
de la figura siguiente.
Imagen 9. Arranque con impedancia en el estator.
Elaboración propia con paint
Arranque por autotransformador
Mediante un autotransformador colocado entre la línea y el motor limitamos la tensión e
iremos incrementándola poco a poco.
5.4. Motor asíncrono monofásico
Existen multitud de casos en que debido a la poca potencia que necesitamos o por no
necesitar un factor de potencia elevado recurrimos a motores monofásicos.
El motor monofásico dispone de un bobinado en el estator de una sola fase que crea un flujo
alterno pero de dirección constante, esto supone que el rotor no pueda girar por sí solo.
El motor monofásico asíncrono no dispone de par de arranque.
Si conseguimos, por algún método, que el rotor comience a girar se generan una fuerzas
electromotríces que permitirán que el rotor gire por si solo.
Para conseguir arrancar el motor tenemos varios métodos pero el que veremos a
continuación es el más utilizado.
Bobinado auxiliar de arranque:
Lo que conseguimos es tener durante un instante un motor bifásico con lo que el motor
principal ya podrá arrancar, una vez arrancado se desconecta este bobinado auxiliar. Si
además conectamos un condensador en serie incrementaremos el desfase, con lo que
facilitaremos el arranque.
Para terminar el tema vamos hacer una pequeña reseña a los motores universales que
son aquellos que se pueden conectar a una corriente continua como a una corriente alterna
monofásica.