Máquinas rotativas de corriente alterna: motores asincrónicos y sincrónicos

Máquinas Rotativas de Corriente Alterna

Las máquinas rotativas de corriente alterna (C.A.) son dispositivos que transforman energía eléctrica en energía mecánica y viceversa. La potencia de entrada se transforma en la potencia nominal, considerando las pérdidas.

Campo Rotante

La fuerza magnetomotriz (Fmm) se define como:

Fmm = N * i = H * L

Donde:

• N: Número de espiras
• i: Corriente
• H: Intensidad de campo magnético
• L: Longitud

La inducción magnética (B) se calcula como:

B = μ * H

Donde μ es la permeabilidad magnética del material.

El flujo magnético (Φ) se obtiene mediante:

Φ = B * S

Donde S es la superficie.

Un conjunto de bobinas dispuestas a 120° y alimentadas por una red trifásica produce un campo magnético rotante de módulo y velocidad angular constante.

La velocidad de sincronismo (Ns) se calcula como:

Ns = 60 * f / p

Donde:

• f: Frecuencia de la red
• p: Número de pares de polos

Se distinguen tres casos:

• Ns = Nr: Máquina sincrónica
• Ns ≠ Nr: Máquina asincrónica
• Nr > Ns: Funcionamiento como generador

Máquinas Asincrónicas

Las máquinas asincrónicas se utilizan comúnmente como motores. Transforman la energía eléctrica en energía mecánica en el eje y son de uso frecuente en máquinas herramienta.

Según la red de alimentación, se clasifican en:

• Polifásicas:
  • Rotor jaula de ardilla
  • Rotor bobinado
• Monofásicas:
  • Rotor jaula de ardilla

Principio de Funcionamiento

1. El estator genera un campo magnético giratorio.
2. Este campo induce una fuerza electromotriz (fem) en el rotor.
3. Circulan corrientes en el rotor.
4. Se producen fuerzas electromagnéticas entre las corrientes del rotor y el campo magnético del estator.
5. Se genera un par motor que hace girar el rotor.

El rotor gira a una velocidad (Nr) inferior a la velocidad de sincronismo (Ns). Si fueran iguales, no se induciría fem en el rotor y, por lo tanto, no habría par motor.

Velocidad de Rotación

Si la velocidad del rotor disminuye, la espira se encuentra frente a un campo variable, ya que Ns es distinta de Nr, y el proceso se inicia nuevamente.

La velocidad relativa entre el campo rotante y el rotor se denomina velocidad de deslizamiento o resbalamiento (NR):

NR = Ns - Nr (rpm)

El deslizamiento (S) se expresa en porcentaje:

S (%) = (Ns - Nr) / Ns * 100

• S = 100%: Deslizamiento máximo (existe campo rotante y el rotor está parado).
• S = 0%: Deslizamiento nulo (el rotor alcanzó la velocidad de sincronismo).

Cálculo del Par Motor

El par motor (M) se puede calcular de las siguientes formas:

M = 974 * P(kW) / N

M = 716 * P(CV) / N(rpm)

Detalles Importantes

• En el arranque, la fem inducida es máxima.
• La corriente de arranque en forma directa supera de 5 a 7 veces la corriente nominal.
• El deslizamiento en el arranque es máximo (100%).
• Al aumentar la carga sobre el eje, disminuye la velocidad del rotor y aumenta el deslizamiento.
• La cupla motora depende del valor del flujo y de la corriente rotórica.

Corriente de Arranque en Motores Trifásicos Asincrónicos

La elevada corriente de arranque, que supera de 5 a 7 veces la nominal, produce inconvenientes como:

• Caídas de tensión en la línea.
• Elevación de la temperatura de los conductores y del motor.

Se busca reducir la corriente disminuyendo la tensión (V) y aumentando la resistencia (R) mediante distintos sistemas:

Arranque Directo

Se conecta el motor directamente a la red.

Arranque Estrella-Triángulo

Se utiliza en motores que funcionan en régimen normal con conexión en triángulo. Si la red es trifásica de 380V, la chapa característica debe indicar 380/660V.

Py = V/√3 * I/√3 * cosφ

El cambio de conexión se realiza mediante un conmutador o un sistema automático con contactores, pulsadores, temporizador, etc.

• Posición 1 (Estrella): R-U, S-V, T-W, z-x-y
• Posición 2 (Triángulo): R-U-z, S-V-x, T-W-y

Arranque con Autotransformador

Actúa sobre la tensión en bornes, permitiendo un arranque regulado desde cero.

Arranque con Resistencias Rotóricas

Se aplica en motores con rotor bobinado. Los extremos de las bobinas se conectan a anillos sobre el eje, donde hay carbones conectados a resistencias variables.

Utilización de Métodos de Arranque

Se debe escoger el método más conveniente para cada aplicación.

• Arranque directo: P = √3 * UL * IL * cosφ
• Arranque estrella-triángulo: Pa = √3 * UL * IL * cosφ / 3
• Autotransformador: Reduce la tensión en bornes aproximadamente 10 veces.

Los métodos de arranque estrella-triángulo y autotransformador son adecuados para arranques con poca carga. En motores de gran potencia, se utiliza el sistema de resistencias rotóricas. Estos sistemas se utilizan generalmente en motores con potencia superior a 5.5 CV.

Variación de Velocidad

El control de velocidad en motores asincrónicos es complejo. Para regularla, se modifica la frecuencia y el número de pares de polos.

Máquinas Sincrónicas

Las máquinas sincrónicas se utilizan principalmente como generadores de energía eléctrica. Existe una relación entre la velocidad de rotación del eje, la frecuencia de la corriente y la configuración magnética, por lo que se denominan sincrónicas.

Funcionamiento como Motor

Al aplicar corriente alterna al estator, aparece un campo magnético rotante. Sin embargo, el giro no se produce, ya que no tiene cupla de arranque. Se hace girar mediante una máquina auxiliar acoplada al eje hasta alcanzar la velocidad del estator para que se acoplen magnéticamente y lograr el sincronismo.

Funcionamiento como Generador

Una máquina sincrónica que recibe energía mecánica y entrega energía eléctrica de corriente alterna en sus bornes. El rotor es alimentado por corriente continua, que se obtiene de un generador autoexcitado montado sobre el mismo eje. Al hacerlo girar por un medio exterior, se obtiene un campo magnético rotante.

La velocidad de rotación de la máquina impulsora debe ser constante para mantener la frecuencia. El rotor y el campo rotante están en sincronismo, siendo la frecuencia:

f = p * N / 60

La diferencia con el motor asincrónico es que el sistema inductor está en el rotor y el inducido en el estator.

Alternador sin Escobillas

Se reemplaza la excitatriz por un alternador de excitación.

Paralelo de Alternadores

Condiciones para la puesta en paralelo de alternadores:

• Las tensiones de la red deben ser iguales.
• Igual fase para las tres tensiones.
• Igual frecuencia.
• Igual secuencia para las dos ternas.