Motores Eléctricos de Corriente Alterna: Constitución, Operación y Control de Velocidad

Máquinas Rotatorias de Corriente Alterna (CA)

Tipos Principales de Máquinas Rotatorias de CA

• Máquinas Asíncronas (Inducción):
  • Rotor en cortocircuito (jaula de ardilla)
  • Rotor bobinado
• Máquinas Síncronas:
  • Excitación por devanado (externa)
  • Excitación por imán permanente
  • De reluctancia
  • De histéresis

Constitución de Máquinas de Corriente Alterna (CA)

1. Estator

El estator está formado por chapas ranuradas, con su devanado alojado en dichas ranuras. El circuito eléctrico del estator se compone de tres bobinas separadas 120 grados eléctricos, y se conecta a una red trifásica.

2. Rotor

El rotor está formado por chapas magnéticas apiladas alrededor del eje de giro. Puede presentarse en dos configuraciones principales:

• Rotor en cortocircuito (jaula de ardilla): Formado por conductores (o barras) conectados en cortocircuito sobre sí mismos, sin ninguna conexión al exterior.
• Rotor bobinado: En este caso, el rotor contiene tres devanados conectados en estrella o triángulo, y es posible conectar un circuito exterior a través de anillos rozantes y escobillas.

Principio de Funcionamiento de un Motor Asíncrono

1. Velocidad de Sincronismo (n_s)

Al conectar las tres bobinas del estator a un sistema trifásico, se genera un campo magnético giratorio que rota a una velocidad constante, conocida como velocidad de sincronismo (n_s).

La velocidad de sincronismo se calcula mediante la fórmula:

n_s = (60 * f) / p

• n_s: Velocidad de sincronismo (rpm)
• f: Frecuencia de la red (Hz, ej. 50/60 Hz)
• p: Número de pares de polos del motor

2. Inducción en el Rotor

Para que el motor funcione y se induzca una fuerza electromotriz (f.e.m.) en el devanado del rotor, este debe girar a una velocidad inferior a la velocidad de sincronismo. Esta diferencia de velocidad es crucial para que los conductores del rotor "corten" las líneas de flujo del campo magnético giratorio, induciendo así una corriente y, por ende, un par motor.

3. Deslizamiento (s)

El deslizamiento (s) es la diferencia relativa entre la velocidad a la que gira el campo magnético del estator (velocidad de sincronismo) y la velocidad real de giro del rotor (n). Es un parámetro fundamental que indica la "pérdida" de velocidad del rotor respecto al campo giratorio.

Se calcula mediante la fórmula:

s = (n_s - n) / n_s

• s: Deslizamiento (adimensional, o en porcentaje)
• n_s: Velocidad de sincronismo (rpm)
• n: Velocidad real del rotor (rpm)

Características Mecánicas del Motor Asíncrono

La curva característica mecánica (Par vs. Velocidad) es fundamental para entender el comportamiento de un motor asíncrono.

1. Par de Arranque (T_arranque)

Es el par que el motor desarrolla en el instante del arranque, cuando la velocidad del rotor (n) es 0. En este punto, el deslizamiento (s) es igual a 1 (s = (n_s - 0) / n_s = 1).

El par de arranque suele oscilar entre 0.8 y 2 veces el par nominal (T_nominal). Es importante destacar que la corriente absorbida en el arranque es significativamente más elevada que la corriente nominal (de 4 a 8 veces superior).

2. Par Máximo (T_máx)

También conocido como par de volteo o par crítico, es el par más alto que el motor puede desarrollar. Se alcanza durante el proceso de aceleración, antes de llegar a la velocidad nominal. Si la carga supera este par, el motor se detendrá.

3. Par Nominal (T_nominal)

Es el par que el motor entrega cuando opera en sus condiciones de diseño (velocidad y potencia nominales). En este punto, el par del motor se iguala al par resistente de la carga, la velocidad se estabiliza y el motor alcanza su velocidad nominal. A esta velocidad, el deslizamiento es muy pequeño (típicamente entre 0.03 y 0.08).

4. Funcionamiento en Vacío

Si no hay par resistente (es decir, no hay carga conectada al eje del motor), el motor acelera hasta casi alcanzar la velocidad de sincronismo. En esta condición, el deslizamiento es prácticamente cero, y la corriente absorbida es mínima (corriente de vacío).

Sistemas de Arranque de Motores Asíncronos

La corriente de arranque de un motor asíncrono es muy elevada y puede causar perturbaciones en la red eléctrica o daños al motor si no se controla. Existen varios métodos para reducirla:

• 1. Utilización de Autotransformador Reductor de Tensión: Reduce la tensión aplicada al motor durante el arranque, lo que a su vez disminuye la corriente y el par de arranque.
• 2. Mediante Variadores Electrónicos de Tensión/Frecuencia (Variadores de Velocidad): Son los sistemas más avanzados, permitiendo un arranque suave y un control preciso de la velocidad y el par.
• 3. Arranque Estrella-Triángulo (Y-Δ): Este método reduce la tensión aplicada a cada devanado del motor durante el arranque (conexión en estrella), lo que disminuye la corriente y el par de arranque a un tercio de los valores que se obtendrían con un arranque directo en conexión triángulo. Una vez que el motor ha acelerado, se conmuta a la conexión en triángulo para el funcionamiento normal.

Máquinas Síncronas

Las máquinas síncronas son aquellas en las que el rotor gira a la velocidad de sincronismo (n_s), es decir, a la misma velocidad que el campo magnético giratorio del estator. Se utilizan comúnmente como generadores de corriente alterna (alternadores) o como motores síncronos.

Alternador (Generador Síncrono)

En un alternador, las partes principales son:

• 1. Estator: Es la parte fija y contiene el devanado inducido, donde se genera la fuerza electromotriz (f.e.m.).
• 2. Rotor: Es la parte móvil y contiene el devanado inductor (o imanes permanentes) que crea el campo magnético principal.

La tensión generada por un alternador es directamente proporcional a la velocidad de giro y al flujo magnético. La frecuencia de la tensión generada está directamente relacionada con la velocidad de giro y el número de polos (f = (n * p) / 60).

Variación de Velocidad en Motores de Corriente Alterna

La velocidad de los motores de CA, especialmente los asíncronos, puede variarse principalmente por dos métodos:

1. Variación del Número de Polos

En algunos motores especiales, es posible modificar el número de polos del estator mediante la reconfiguración de sus devanados. Dado que la velocidad de sincronismo (y por ende la velocidad del motor) es inversamente proporcional al número de pares de polos (n_s = (60 * f) / p), cambiar el número de polos permite obtener velocidades discretas.

2. Uso de Convertidores de Frecuencia (Variadores de Velocidad)

Este es el método más común y eficiente en la actualidad. Los convertidores de frecuencia (también conocidos como variadores de velocidad o VFDs) permiten modificar la frecuencia (f) y la tensión (V) de la alimentación del motor de forma continua. Al variar la frecuencia, se altera directamente la velocidad de sincronismo, ofreciendo un control preciso y suave de la velocidad del motor.

Motor Asíncrono Monofásico

A diferencia de los motores trifásicos que generan un campo magnético giratorio de forma natural, los motores monofásicos requieren un mecanismo adicional para iniciar el giro. Esto se logra añadiendo un segundo devanado auxiliar por el que circula una corriente desfasada respecto a la del devanado principal, creando así un campo magnético giratorio. El devanado del rotor, al igual que en los motores asíncronos trifásicos, está cortocircuitado (generalmente de jaula de ardilla).

Tipos Comunes de Motores Asíncronos Monofásicos

• 1. Motor de Fase Partida:

  El segundo devanado (auxiliar) del estator está situado a 90 grados eléctricos del devanado principal y suele estar hecho con un conductor más fino. Ambos devanados se conectan en paralelo a la red. Al tener impedancias diferentes, las corrientes en cada devanado están desfasadas, creando un campo magnético giratorio. El par de arranque de este tipo de motor es relativamente pequeño.

• 2. Motor con Condensador (de Arranque o Permanente):

  Similar al motor de fase partida, pero se añade un condensador en serie con el devanado auxiliar. Este condensador provoca un mayor desfase (cercano a 90 grados) entre la corriente del devanado principal y la del auxiliar, lo que resulta en un campo magnético giratorio más uniforme y un par de arranque superior al del motor de fase partida. Es uno de los tipos más utilizados.

• 3. Motor con Espira en Cortocircuito (o de Fase de Sombra):

  Se utilizan para potencias muy pequeñas (generalmente hasta 150W). En estos motores, el devanado auxiliar está formado por una simple espira en cortocircuito, situada en un rebaje en el paquete de chapas polares del estator. El campo magnético principal induce una corriente en esta espira, creando un desfase local que genera un par de arranque. Sin embargo, el par de arranque es muy pequeño y su eficiencia es baja.