Principios Operativos y Características de Máquinas Eléctricas Rotativas

Máquinas Síncronas

Partes Principales

• Rotor: Compuesto por electroimanes soportados por un eje de giro.
• Estator: Compuesto por una corona de chapas magnéticas con ranuras en las cuales se alojan bobinas cuyos terminales se conectan a la placa de conexión.
• Excitatriz: Elemento encargado de suministrar corriente continua para alimentar los electroimanes en el rotor.

Principio de Funcionamiento como Motor Síncrono

1. La excitatriz genera un campo magnético en el rotor. Este debe ser llevado por un procedimiento auxiliar a la velocidad de sincronismo.
2. La alimentación de las bobinas del estator, mediante corriente alterna, genera un campo magnético giratorio a la velocidad de sincronismo.
3. Los campos giratorios del estator y del rotor quedan enganchados, girando a la velocidad de sincronismo.

Principio de Funcionamiento como Generador Síncrono (Alternador)

1. El rotor es llevado a la velocidad de sincronismo por un procedimiento auxiliar y la excitatriz genera un campo magnético.
2. El movimiento del campo magnético del rotor induce fuerzas electromotrices (FEM) en el bobinado del estator.

Aplicaciones de Máquinas Síncronas

• Condensador Síncrono: Actuando sobre la intensidad de excitación, la intensidad adelanta a la tensión, haciéndolos muy útiles para mejorar el factor de potencia.
• Motores Síncronos: Elementos que deben moverse a velocidades constantes.
• Alternador: Utilizado en centrales eléctricas y automóviles para la generación de energía.

Motores de Inducción (Asíncronos)

Partes Principales

• Estator (Parte Fija): Formado por tres devanados idénticos desfasados 120º eléctricos, conectados a una placa de conexión.
• Rotor (Parte Móvil): Existe el rotor bobinado y el rotor en jaula de ardilla.

Teorema de Ferraris

Para un conjunto de bobinas separadas de forma equidistante y por las que circulan corrientes sinusoidales desfasadas en el tiempo, se crea un campo magnético sinusoidal que se desplaza en el espacio con una frecuencia igual a la de la corriente por las bobinas.

Principio de Funcionamiento (Motores Trifásicos)

1. Mediante corrientes eléctricas desfasadas se induce un campo magnético giratorio en el estator.
2. El campo magnético del estator induce fuerza electromotriz (FEM) en el rotor, lo que a su vez genera corrientes eléctricas en este.
3. Las corrientes en el rotor dan lugar a un campo magnético propio que tiende a "atrapar" al campo giratorio del estator, pero con una velocidad menor a la de sincronismo. Esta diferencia de velocidad es crucial para que haya inducción por cambio de flujo, permitiendo que el rotor gire.

Métodos de Arranque de Motores de Inducción

• Arranque Directo: Permitido en motores de potencias menores de 5 CV.
• Arranque por Tensión Reducida (Estrella-Triángulo): Hasta 11 kW, la intensidad de arranque es aproximadamente 1/3 respecto al arranque directo.
• Resistencias Estatóricas: El par de arranque queda limitado con el cuadrado de la caída de tensión.
• Autotransformador: Utilizado para altas potencias, aunque su precio es elevado.
• Electrónicos (Convertidores de Frecuencia): Permiten un arranque suave y consiguen mantener el par constante.

Principio de Funcionamiento y Arranque de Motores Asíncronos Monofásicos

1. Una corriente eléctrica alterna genera un campo magnético variable alternativo.
2. En el rotor se induce un campo magnético, pero no se produce movimiento inicial; se necesita un lanzamiento que puede ser: mecánico o eléctrico.
3. Una vez que se produce el arranque, se desconecta el devanado auxiliar (generalmente por medio de un interruptor centrífugo).

Conceptos y Fórmulas Clave

Deslizamiento (s)

El deslizamiento es la diferencia entre la velocidad de sincronismo y la velocidad real del rotor.

s = n_s - n_rotor

Velocidad de Sincronismo (n_s)

n_s = (60 * f) / p

Donde:

• f: Frecuencia de la red (Hz)
• p: Número de pares de polos

Deslizamiento Relativo (S)

S = s / n_s (expresado a menudo en porcentaje)

Frecuencia del Rotor (f_rotor)

f_rotor = S * f

Balance de Potencias en Motores de Inducción

• Potencia Eléctrica de Entrada (P_electr):
  P_electr = P_abs - P_perdidas_estator
• Potencia Mecánica Desarrollada (P_mec):
  P_mec = P_electr - P_perdidas_rotor
• Potencia Útil en el Eje (P_util):
  P_util = P_mec - P_perdidas_vacio
• Pérdidas en el Rotor (P_perdidas_rotor):
  P_perdidas_rotor = S * P_electr

Par o Momento (Cu / Mu)

El par motor es la fuerza de giro que produce el motor.

Cu = Mu = P_util / ω

Donde:

• ω: Velocidad angular (rad/s)

Variación del Momento de Rotación (Relaciones de Proporcionalidad)

Estas relaciones describen cómo el par y la potencia pueden variar con diferentes parámetros:

• Cu / Cu1 = Pu / Pu1 = (V_L / V_L1)^2
• Cu / Cu1 = (f1 / f)^2
• Pu / Pu1 = f1 / f
• S / S1 = Rr / Rr1

Nota: La notación original ha sido interpretada como relaciones cuadráticas de tensión y frecuencia, respectivamente, para mayor coherencia con la teoría de máquinas eléctricas.

Fórmulas Clave para Máquinas Síncronas

• Velocidad de Sincronismo (Ns):
  Ns = (60 * f) / p
• FEM Inducida (E):
  E = 4.44 * N * Φ_max * K_w * f

  Donde:

  • N: Número de espiras por fase
  • Φ_max: Flujo máximo por polo
  • K_w: Factor de bobinado
  • f: Frecuencia (Hz)
• Impedancia Síncrona (Z_s):
  Z_s = E_f / I_cc

  Donde:

  • E_f: FEM por fase en circuito abierto
  • I_cc: Corriente de cortocircuito

Nota: En las fórmulas, p se refiere al número de pares de polos.