Funcionamiento y Clasificación de las Máquinas Eléctricas: Motores de CC y CA

1. Definición y Clasificación de las Máquinas Eléctricas

Una máquina eléctrica es un conjunto de mecanismos capaces de generar, aprovechar o transformar la energía eléctrica. Se clasifican fundamentalmente en tres categorías:

• Generadores: Convierten energía no eléctrica (normalmente mecánica) en energía eléctrica.
• Motores: Convierten la energía eléctrica recibida en energía mecánica.
• Transformadores: Modifican características de la energía eléctrica (como tensión o intensidad) para facilitar su transporte o uso, pero sin transformarla en otro tipo de energía. Al no tener partes móviles, se denominan máquinas estáticas.

Por otro lado, las máquinas rotativas engloban a los generadores y motores, llamados así porque disponen de elementos mecánicos en rotación. Tienen la propiedad de ser reversibles; es decir, pueden funcionar en ambos sentidos (como motor o como generador).

2. Constitución y Funcionamiento General

Partes mecánicas principales

Cuentan con una parte fija llamada estator y una parte móvil giratoria denominada rotor. Entre ambas existe un espacio de aire muy reducido llamado entrehierro, que se diseña lo más pequeño posible para evitar la pérdida de flujo magnético.

Circuitos eléctricos

Se componen de dos devanados o arrollamientos de conductores asentados en ranuras:

• El arrollamiento inductor o de excitación: produce el flujo magnético.
• El arrollamiento inducido: es donde se genera la fuerza electromotriz.

Principio del motor

Su funcionamiento se basa en conductores eléctricos recorridos por corriente que están situados dentro de un campo magnético. Al aplicar la regla de la mano izquierda, el campo ejerce fuerzas magnéticas sobre los conductores que hacen girar el rotor, convirtiendo la energía en un par motor mecánico.

Número de polos

El circuito magnético cuenta con polos norte y sur distribuidos de forma alternativa. El número total de polos de una máquina siempre debe ser par (la mitad norte y la otra mitad sur) y se designa como 2p, donde p es el número de pares de polos.

Tipos de materiales

Se dividen en:

• Activos: Conductores (como el cobre) y magnéticos (como el hierro), que conducen corriente o albergan el campo magnético.
• Pasivos: Aislantes que canalizan la corriente y evitan fugas.
• Estructurales: Soportes, sistemas de ventilación y lubricación.

3. Potencia, Balance de Energía y Pérdidas

Potencia nominal y placa de características

La potencia útil puede variar según las exigencias exteriores. El fabricante define un régimen de marcha ideal llamado régimen nominal, grabado en la placa de características de la máquina. Trabajar a esa potencia exacta se llama operar a plena carga. El límite de potencia está dictado principalmente por el calentamiento de sus componentes.

Balance de energía

Debido a que parte de la potencia absorbida de la red se transforma inevitablemente en calor, la potencia útil siempre es menor que la potencia absorbida.

Tipos de pérdidas

• Pérdidas en el cobre: Ocurren en los conductores debido al efecto Joule. Su valor en vatios es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de corriente por la resistencia (P = I² · R).
• Pérdidas en el hierro: Suceden en el circuito magnético debido a un flujo variable. Se dividen en pérdidas por histéresis (magnetización cíclica) y pérdidas por corrientes parásitas o de Foucault. Se reducen usando chapas magnéticas laminadas y aisladas.
• Pérdidas mecánicas: Ocasionadas por el movimiento, incluyen el rozamiento en cojinetes, escobillas y la fricción con el aire.

El rendimiento es la relación matemática entre la potencia útil suministrada y la potencia absorbida. Siempre es inferior a la unidad (o menor del 100%).

4. Característica Par-Velocidad y Estabilidad

Fases del motor en carga

Al interactuar con la carga mecánica, el motor experimenta tres fases:

1. Arranque: Momento de conexión donde el par debe vencer la inercia.
2. Aceleración: Periodo de aumento de velocidad.
3. Régimen nominal: Marcha permanente donde el par motor iguala al par resistente.

Estabilidad de la máquina

• Comportamiento estable: Si la velocidad varía accidentalmente, el motor ajusta su par de forma automática para regresar al equilibrio.
• Comportamiento inestable: Un aumento de velocidad provoca que el par crezca indefinidamente, haciendo que la máquina se embale.

5. Motores de Corriente Continua (CC)

Las máquinas rotativas se dividen según la red: corriente alterna (CA) y corriente continua (CC). Aunque los motores de CA son más comunes, los de CC siguen siendo indispensables en aplicaciones industriales específicas.

Elementos constructivos principales

• Estator: Parte fija que genera el campo magnético excitador. Contiene la culata y los polos inductores.
• Rotor (Inducido): Pieza cilíndrica móvil de chapas de acero laminado que aloja el devanado inducido.
• Colector de delgas: Láminas de cobre que giran con el rotor, conectadas a las bobinas del inducido.
• Escobillas: Piezas fijas de grafito que aseguran el contacto eléctrico con el colector.

Tipos de excitación (Conexión eléctrica)

• Excitación en Derivación (Shunt): Devanados en paralelo. Es un motor autorregulado en velocidad.
• Excitación en Serie: Devanados conectados secuencialmente. Soporta toda la corriente de carga.
• Excitación Compuesta (Compound): Combina las conexiones serie y paralelo.

Reacción de inducido y conmutación

Cuando el motor trabaja con carga, el rotor genera su propio campo magnético, fenómeno llamado reacción de inducido. Esto distorsiona el campo principal y provoca chispas en las escobillas. Se corrige mediante polos auxiliares de conmutación.

6. Motores de Corriente Alterna (CA)

Son los más utilizados hoy en día por su robustez, sencillez y facilidad de regulación mediante electrónica de potencia.

Motores asíncronos trifásicos

Es el motor industrial por excelencia. Sus partes son:

• Estator: Aloja un devanado trifásico que permite conexiones en estrella o triángulo.
• Rotor de jaula de ardilla: Barras de cobre o aluminio cortocircuitadas. Es muy robusto.
• Rotor bobinado: Permite conectar resistencias externas mediante anillos rozantes para mejorar el par de arranque.

Principio de funcionamiento y deslizamiento

Se basa en el campo magnético giratorio. La velocidad de este campo se llama velocidad síncrona. El rotor siempre gira a una velocidad ligeramente inferior; a esta diferencia se le denomina deslizamiento (normalmente entre el 2% y el 6%).

Sistemas de arranque en CA

Para evitar corrientes de arranque elevadas (hasta 6 veces la nominal), se emplean métodos como:

• Arranque estrella-triángulo.
• Inserción de impedancias estatóricas.
• Uso de autotransformadores.
• Resistencias rotóricas (en motores de rotor bobinado).

Regulación de velocidad

Se puede realizar mediante tres vías principales:

1. Cambio en el número de polos: Regulación a saltos (ej. conexión Dahlander).
2. Cambio en la frecuencia: Mediante convertidores de frecuencia (el método más eficiente).
3. Cambio en el deslizamiento: Variando la tensión o insertando resistencias.