Conceptos Clave de Máquinas Eléctricas: Motores Asíncronos y Síncronos

Introducción a las Máquinas Eléctricas

Las máquinas eléctricas son dispositivos que convierten energía eléctrica en mecánica o viceversa. A continuación, se detallan aspectos clave de su funcionamiento, ensayos y regulación.

Componentes Fundamentales

Motores de Jaula de Ardilla y Bobinado

• Jaula de Ardilla: Conductores distribuidos uniformemente por la periferia del rotor, con los extremos de los conductores cortocircuitados.
• Bobinado: Devanados conectados en estrella, trifásicos, con los devanados conectados al exterior.

Funcionamiento de Máquinas Asíncronas

El rendimiento de las máquinas asíncronas está intrínsecamente ligado a la relación entre la velocidad del rotor (n) y la velocidad síncrona (ni).

• Cuanto más se aproxima n a ni:
  • Menor velocidad relativa entre el campo del estator y el rotor.
  • Menor fuerza electromotriz (FEM) inducida en las barras del rotor.
  • Menor par electromagnético.
• La velocidad del rotor tiende a ser igual a la velocidad del campo del estator.
• La potencia del rotor (P_rotor) es proporcional a la potencia del estator (P_estator).

La velocidad síncrona (ni) representa el límite teórico al que puede girar el rotor en vacío.

A mayor par de carga, aumenta la diferencia entre n y ni, lo que se conoce como deslizamiento.

Ensayos de Motores Eléctricos

Para caracterizar el comportamiento de un motor, se realizan principalmente dos tipos de ensayos:

Ensayo en Vacío (Motor Libre)

Este ensayo se realiza con el motor sin carga mecánica.

• Objetivo 1: Calcular la resistencia del estator (Ri)
  • Se aplica corriente continua (CC) al estator.
  • Se miden la tensión y la corriente.
  • Utilizando la ley de Ohm y aplicando aproximadamente el 15% de la tensión nominal, se obtiene Ri.
• Objetivo 2: Calcular la resistencia de pérdidas en el hierro (Rfe) y la inductancia de magnetización (Lm)
  • Se aplica tensión nominal trifásica al estator.
  • Se miden la tensión de entrada (Vin), la corriente de vacío (Io) y el factor de potencia en vacío (Yo).

Ensayo de Cortocircuito (Rotor Bloqueado)

Este ensayo se realiza con el rotor inmovilizado.

• Objetivo 1: Calcular la resistencia de cortocircuito (Rcc) y la inductancia de cortocircuito (Lcc)
  • Con el rotor bloqueado, se aplica al estator entre el 3% y el 10% de la tensión nominal trifásica.
  • Se miden la tensión de cortocircuito (Vicc), la corriente de entrada (Iin) y el factor de potencia en cortocircuito (Ycc).

Métodos de Regulación de Velocidad

La velocidad de los motores eléctricos puede ser controlada mediante diversas técnicas:

1. Variación del Número de Polos

   • Requiere que el rotor sea de jaula de ardilla.
   • Permite variar tanto la velocidad del rotor (n) como la velocidad síncrona (ni).
   • Utiliza diversos devanados en el estator para cambiar el número de polos.

2. Variación del Deslizamiento

   • En motores de jaula de ardilla: Se controla la tensión aplicada al motor. Este método no es aconsejable debido a su impacto negativo en el par.
   • En motores de rotor bobinado: Se varía la resistencia del rotor utilizando métodos que devuelven energía a la red eléctrica, regulando así la potencia de deslizamiento de la máquina.

3. Variación de la Frecuencia (Control V/f)

   • Es el método más utilizado en la actualidad.
   • La conversión de frecuencia se realiza mediante el uso de convertidores electrónicos de potencia.
   • El flujo magnético se mantiene constante si se mantiene constante la relación V/f (tensión/frecuencia).

Control Escalar para Regulación de Velocidad

Este método consiste en mantener constante la relación V/f (tensión/frecuencia).

• V: Amplitud de las tensiones trifásicas aplicadas al estator, que se modifica al cambiar f.
• f: Variación de la frecuencia de las tensiones trifásicas aplicadas al estator, necesaria para controlar la velocidad del motor.

Ventajas del Control Escalar:

• El flujo máximo es constante para cualquier valor de f.
• El par máximo es constante para toda velocidad por debajo de la de sincronismo.
• La velocidad de deslizamiento (ni - n) es constante para toda velocidad por debajo de la de sincronismo.

Sistemas de Excitación de Máquinas Síncronas

Las máquinas síncronas requieren un sistema de excitación para generar el campo magnético del rotor.

1. Excitación con Dínamo Excitatriz de Corriente Continua (CC)

   • El eje del alternador se acopla mecánicamente al eje de la dínamo excitatriz (generador de CC).
   • Cuando el eje del alternador gira (por acción externa), el eje de la dínamo excitatriz principal gira, proporcionando tensión continua.
   • Esto se obtiene mediante un generador de CC de imán permanente acoplado al eje principal.

2. Excitación con Dínamo Excitatriz de Corriente Alterna (CA)

   • Se utilizan para solucionar problemas de conmutación de los generadores de CC cuando trabajan a altas velocidades.
   • Las tensiones trifásicas generadas mediante la excitatriz principal y la piloto se rectifican mediante dos puentes trifásicos de diodos.

Tipos Específicos de Motores Monofásicos

Motores de Fase Partida y con Condensador

• Motor de Fase Partida

  • El estator tiene dos devanados eléctricos desfasados 90º:
    • Devanado principal: Cubre dos tercios (2/3) de las ranuras y tiene muchas espiras de hilo grueso.
    • Devanado auxiliar: Cubre el resto de las ranuras y tiene pocas espiras de hilo fino.
  • El devanado auxiliar se conecta en serie con un interruptor centrífugo.
  • El interruptor centrífugo se desconecta cuando la velocidad del rotor alcanza el 70% de la velocidad síncrona.

• Motor con Condensador

  • Posee el mismo estator que el motor de fase partida.
  • El devanado auxiliar se conecta en serie con un condensador de arranque para adelantar la fase de la corriente casi 90º con respecto a la corriente del devanado principal.
  • Cuando el motor arranca, el condensador de arranque se desconecta mediante un interruptor centrífugo.
  • Para mejorar el factor de potencia (FDP), se puede incluir un condensador adicional conectado permanentemente.
  • Este tipo de motor tiene un mayor par de arranque.