Motores Eléctricos y Transformadores: Principios, Tipos y Ensayos Fundamentales

Principio de Funcionamiento del Motor Eléctrico Asíncrono

El estator del motor asíncrono está formado por tres devanados separados 120°, los cuales son alimentados mediante un sistema trifásico de tensiones. Por tanto, las corrientes que circulan por las espiras son senoidales y están desfasadas 120° (por ejemplo, I_R = I_max cos(ωt), I_S = I_max cos(ωt - 120°), I_T = I_max cos(ωt - 240°)). Se produce un campo magnético que genera una fuerza electromotriz (f.e.m.) en las espiras del rotor (Ley de Faraday). Esta circulación de corrientes por las espiras del rotor genera una fuerza tangencial sobre ellas, lo que produce un par de fuerzas en el sentido de la rotación, provocando el giro de la máquina.

Ventajas y Desventajas del Motor Asíncrono

Ventajas

• Sencillez y robustez: La alimentación eléctrica proviene de una línea trifásica o monofásica que alimenta el devanado estatórico, sin escobillas ni elementos rozantes.
• Facilidad de mantenimiento.
• Altos rendimientos.
• Facilidad para la conexión en estrella y triángulo.
• Par de giro elevado.
• No presenta problemas de estabilidad ante variaciones bruscas de carga.
• Seguridad de funcionamiento.

Desventajas

• Difícil limitación de velocidad.
• Deterioro de los bobinados a causa de los armónicos de altas frecuencias.
• Elevada intensidad absorbida en el arranque.

Tipos de Rotor en Motores Asíncronos

Rotor de Jaula de Ardilla

Los conductores del rotor están igualmente distribuidos por la periferia del rotor. Los extremos de estos conductores están cortocircuitados, por lo tanto, no hay posibilidad de conexión del devanado del rotor con el exterior. La posición inclinada de las ranuras mejora las propiedades de arranque y disminuye los ruidos.

Rotor Devanado

Los devanados del rotor son similares a los del estator con el que está asociado. El número de fases del rotor no tiene por qué ser el mismo que el del estator, aunque lo que sí debe ser igual es el número de polos. Los devanados del rotor están conectados a anillos colectores montados sobre el mismo eje.

Ventajas e Inconvenientes del Motor Síncrono

Ventajas

• Buen rendimiento y elevado factor de potencia (f.d.p.).
• Se pueden conectar directamente a una línea de Alta Tensión (AT) sin transformadores.
• Pueden funcionar como generadores de energía reactiva para mejorar el f.d.p.
• Permiten el funcionamiento de motores de alta potencia con baja frecuencia.

Desventajas

• No pueden arrancar en carga, ya que antes de conectarse a la línea deben girar a la velocidad de sincronismo.
• No pueden variar bruscamente la carga porque pierden el sincronismo.

Tensión de Paso y de Contacto

Contacto: Tensión que aparece entre partes accesibles simultáneamente al ocurrir un fallo en el aislamiento, o bien, es la tensión entre la mano y el pie de un trabajador que tocara en ese momento el electrodo a tierra.

Paso: Tensión entre dos puntos del terreno situados a 1 metro de distancia entre sí, en dirección al electrodo de tierra.

Rendimiento del Transformador

El rendimiento (η) de un transformador se calcula como:

η = (V · I · cos φ) / (V · I · cos φ + P₀ + P_cc · C²) = P_cedida / P_absorbida

Donde:

• P_Cu = C² · P_cc = pérdidas en el cobre, siendo P_cc las pérdidas en condiciones normales.
• P_Fe = P₀ = pérdidas en el hierro, donde P₀ son las pérdidas obtenidas mediante el ensayo en vacío.

Transformador Dy11

Las letras nos indican la disposición de los devanados (D para la zona de Alta Tensión en triángulo e y para la zona de Baja Tensión en estrella). El dígito multiplicado por 30 nos da el desfase angular entre las tensiones de alta y baja tensión de los transformadores.

La relación de transformación (n_t) se define como: n_t = V_1N / V_2N = I_2N / I_1N.

Ensayos de Vacío y Cortocircuito en Transformadores

Ensayo en Vacío

Consiste en aplicar en el primario del transformador la tensión nominal con el secundario abierto.

• S_sup = V_1N · I₁₀
• n_t = V_1N / V_2N = I_2N / I_1N
• I_Fe = I₁₀ · cos φ
• I_μ = I₁₀ · sen φ
• R_Fe = V_1N / I_Fe
• X_μ = V_1N / I_μ
• cos φ = P₁₀ / S_sup
• P₁₀ = P_Fe

Donde:

• P₁₀ = potencia medida con el vatímetro.
• P_Fe = pérdidas en el hierro.
• S_sup = potencia aparente en vacío.

Ensayo de Cortocircuito

Consiste en determinar las intensidades nominales aplicando una pequeña tensión al primario y cortocircuitando el secundario.

• P_cc = P_Cu
• R_cc = R₁ + R₂'
• X_cc = X₁ + X₂'
• Z_cc = √(R_cc² + X_cc²)
• E_cc(%) = (V_2N - V_2C) / V_2N
• I_CC = (V_1N / n_t) / √(R_cc² + X_cc²)

Donde:

• P_cc = potencia en cortocircuito.
• P_Cu = pérdidas en el cobre.
• I_1N = corrientes nominales.
• R_cc = resistencia de cortocircuito.
• X_cc = reactancia de cortocircuito.
• I_cc = intensidad de cortocircuito.