Máquinas Eléctricas: Tipos y Componentes

Máquinas Asíncronas (Motor): rotor (inducido corto), estator (inductor). Absorben potencia de la red (P1) y ceden potencia mecánica (Pmec).

Máquinas Síncronas (Generador): rotor (inductor), estator (inducido). Absorben potencia mecánica (Pmec) y ceden potencia (P1) a la red.

Máquinas de Corriente Continua (Generador)

Principios de Funcionamiento

Solo los campos magnéticos variables producen pérdidas en el circuito magnético. La transformación de energía se realiza mediante campos electromagnéticos. El devanado inductor crea el campo magnético. El número de polos puede ser distinto al número de fases. Los devanados pueden ser semicerrados o abiertos en el inductor de máquinas asíncronas.

Devanados:

• CC: Imbricados u ondulados.
• CA: Concéntricos (distinto paso) o excéntricos (mismo paso).

Cálculo del Campo Magnético

Con la ley de Ampère se calculan las ampervueltas necesarias para asegurar un flujo en el circuito magnético de una máquina eléctrica. La ley de Ampère permite determinar la tensión magnética que cae en el circuito magnético. Todos los circuitos eléctricos están formados por conductores de cobre. El material ferromagnético es apropiado para el circuito magnético debido a su alta permitividad. Los devanados inductores son los únicos que crean campo magnético. El entrehierro mejora el comportamiento eléctrico de la máquina.

Pérdidas y Calentamiento en Máquinas Eléctricas

Análisis de Pérdidas

El incremento de temperatura es independiente de la temperatura ambiente. Las pérdidas en el cobre se modelan con resistencias. La temperatura de régimen nominal es la máxima que puede alcanzar la máquina. La potencia nominal de la máquina depende de la calidad del aislamiento. Las pérdidas en hierro dependen de la calidad del material ferromagnético. La vida útil de los aislantes eléctricos disminuye si aumentan las pérdidas variables. La temperatura solo depende de la carga y de la temperatura ambiente.

Ensayos

• En vacío: La potencia que se consume es potencia de pérdidas, permite medir directamente las pérdidas en el hierro (Fe).
• En corto: Se realiza bloqueando el rotor y haciendo circular la corriente nominal.

Modelado de Pérdidas

Las pérdidas en el cobre se modelan con resistencias y las del hierro con reactancias. La temperatura de régimen nominal es la máxima que puede alcanzar el circuito magnético. Las pérdidas en el hierro solo dependen del valor de inducción máxima. La potencia que puede desarrollar la máquina viene determinada por la temperatura máxima del cobre. A mayor refrigeración, mayor rendimiento. Las pérdidas de una máquina trabajando a potencia nominal hacen que el rendimiento sea el máximo posible. Las pérdidas por corrientes parásitas se producen solo en el estator de las máquinas. Los aislantes utilizados determinan la temperatura máxima para la máquina.

Campos Magnéticos Giratorios

Características

Su sentido de giro depende de la secuencia de fases en el caso trifásico. Se pueden obtener por combinación de campos pulsantes sobre ejes desfasados eléctricamente en el espacio. Se puede obtener con un devanado bifásico, trifásico o estático. Giraría a velocidades eléctricas múltiplos de la frecuencia de la intensidad que los crean. La velocidad angular está relacionada siempre con la pulsación de la corriente que los crea. Tienen mayor módulo con devanado concentrado que con devanado distribuido. Se producen en el devanado inducido de las máquinas síncronas trifásicas. Gira siempre. Se puede producir con una sola bobina sobre un rotor. Pueden ser circulares o elípticos.

Generación

Solo se obtienen con sistemas trifásicos. Los de las máquinas de CC giran a velocidad constante. Son el principio de funcionamiento de las máquinas rotativas. Los de las máquinas de CC son elípticos. Queda definido por el teorema de Leblanc (función de un motor monofásico). Puede girar a distintas velocidades dependiendo de las características del devanado inductor. En máquina rotativa siempre será de módulo y velocidad constantes.

Devanados en Máquinas Rotativas

Tipos de Devanados

Devanados concentrados: alimentados con CC (normalmente) o CA. Devanados distribuidos: alimentados con CC. Los devanados son abiertos en el estator de máquinas asíncronas. En el inducido pueden ser abiertos o cerrados. Los devanados distribuidos mejoran la forma de onda del campo magnético en el entrehierro. El campo magnético se utiliza como medio de acoplamiento entre el sistema eléctrico y mecánico.

Consideraciones

El flujo magnético es mayor cuanto más grande es el entrehierro. La transferencia de energía solo produce pérdidas magnéticas.

Campos Magnéticos Pulsantes

Generación y Efectos

Pueden generar campos giratorios, dependiendo de sus características. Pueden dar lugar a un campo magnético giratorio en el entrehierro de amplitud constante. No es solo posible en sistemas de tensiones trifásicas. Lo producen 3 bobinas con independencia del número de fases. Se producen alimentando un devanado con CA. La frecuencia de variación depende de las corrientes que lo producen. No son necesarios para que haya campo giratorio. Se pueden obtener con devanados concentrados e inducidos.

Máquina Asíncrona (Motor) y Modos de Funcionamiento

Componentes y Funcionamiento

Devanado inducido CC (rotor). Mismo número de polos en estator y rotor, pero no mismo número de fases. Tiene corriente circulando por el rotor que es inducida por el campo giratorio. El rotor de jaula de ardilla es el más usado. La relación de tensiones no tiene por qué ser igual a la de intensidades. Funcionan gracias al deslizamiento. Se puede modificar mediante resistencias externas en motores de rotor bobinado para un par máximo de arranque, permitiendo conectar resistencias en serie con el inducido para disminuir la corriente en el arranque. Las pérdidas mecánicas son las que provocan desigualdad entre par magnético y par útil. 2Tmax = valor absoluto como motor y como generador. Motor de inducción Tmax muy superior al nominal. El arranque en conexión Y-D disminuye la intensidad y el par en 1/3. La regulación de velocidad por control escalar permite aumentar la velocidad por encima de la nominal con Tmax constante, con Tresist constante s=cte, también se denomina v/f=cte=Φ, ↓f ↑Φ. El arrancador suave permite aplicar Tmax en el arranque. El freno tiene s>1 nr<0 Pa<0 el rotor gira en sentido contrario al campo, transforma toda la energía absorbida en calor, a >s >0. Motor nr>0 Pa>0 la velocidad depende de la carga, el eje siempre gira en sentido del campo, en arranque soporta una corriente de CC de fallo, a mayor deslizamiento mayores pérdidas, solo proporciona Tmax en arranque cuando se modifica R2 con rotor bobinado.

Modos de Operación

Pérdidas: Generador s<0 genera P, consume Q. nr>ns Pmi<0. Generador: s<0 genera energía a tensión y frecuencia constantes, la excitación se conecta al rotor, no presenta par resistente constante.

Jaula de Ardilla

Características

El número de fases del rotor depende del número de barras. Rotor con barras de Cu, Br o Al. Mismo número de pares de polos en el rotor impuesto por los del estator y distinto número de fases. Anillos rozantes en el rotor unidos por las barras, NO se conectan con el exterior. Todas las barras del rotor conectadas entre sí. Si se alimenta la máquina a distintas tensiones, el par máximo no cambia. Lleva CA en el rotor (inducido) de distinta frecuencia que la del devanado inductor (estator). El inducido está en corto. No se puede variar la resistencia exterior variable. Puede tener más de 3 fases si se trata de trifásico.

Motor Asíncrono Monofásico

Funcionamiento

Capaz de funcionar en zona estable con un campo magnético pulsante. Una vez alcanza la velocidad a la que supera el par resistente, puede funcionar con 1 sola fase. Lleva el rotor de jaula de ardilla. De más a menos par de arranque: por condensador > fase partida > espiras de sombra. Con o sin par de arranque tiene zona estable siempre. Arranque como motor pseudo-bifásico. Lleva un devanado auxiliar para conseguir par de arranque. No cumple Ferraris en el arranque. En funcionamiento permanente, el devanado principal crea un campo pulsante en el entrehierro.

Máquina Síncrona (Generador, Alternador)

Características

Dependiendo del rango de potencia, tienen el inductor en el rotor o estator. Para sincronizar y conectar a la RPI, hay que controlar el módulo, la frecuencia de la tensión y la fase hasta que se igualen. Hay que sincronizar antes de conectar a la RPI. Se modula con fuente de tensión e impedancia en serie. La relación de inducido depende del tipo de carga. Flotante no cede ni consume energía. Variar la excitación provoca cambio en la Q que entrega la máquina a una RPI, pero no a la P. La sobreexcitación genera Q, la subexcitación cede Q. Conectada a RPI puede ceder o consumir P y Q. Gira a velocidad constante independientemente del par de carga. Tmax no está en el arranque. Rotor inductor CC concentrado (polos salientes) o distribuido (polos lisos). Estator inducido CA distribuido. En centrales térmicas se utilizan con rotor cilíndrico (turbogenerador) y funcionan a alta velocidad y alto rendimiento. Hidrogenerador a mayor salto, mayor velocidad.

Generador Síncrono

Funcionamiento y Control

El alternador puede funcionar como compensador síncrono. Es la única que puede generar Q. La regulación de tensión será negativa con cargas capacitivas. En red aislada, una variación de la excitación afecta al valor de la tensión en bornes del alternador y a la variación de velocidad. La frecuencia de tensión inducida depende de la velocidad del rotor. Si está conectado a RPI, la tensión y la frecuencia no dependen del generador, solo de la transferencia de potencia. La tensión de salida depende de la Ie y la reactancia interna. La reacción de inducido desmagnetiza si la corriente de carga va retrasada respecto a la V de salida, carga inductiva (Eo>V) efecto desmagnetizante y carga capacitiva (Eo

Máquinas de Corriente Continua

Características y Tipos

Las chispas en el colector se producen durante la conmutación cuando la línea de escobillas no está en la posición de la línea neutra magnética. Los de excitación-derivación permiten variar la velocidad actuando sobre el valor de la tensión de alimentación. En función de la conexión de su devanado: serie o compuesto. Devanado inductor en el estator (concentrado) y devanado inducido en el rotor (cerrado, doble capa, ondulado ↑V ↓I, imbricado ↑I ↓V). La reacción de inducido empeora la conmutación. Un elemento diferenciador en el rotor une el inducido con el circuito exterior. Si la excitación es independiente, al cambiar la polaridad de la alimentación, el campo cambia de sentido de giro. Si se excitan en serie, el par depende del cuadrado de la I. Colector de delgas, tantas delgas como bobinas. Si es de tipo serie, la fmm del inducido es igual a la del inductor. Si se regula la velocidad actuando sobre el flujo de excitación, el par motor resultará afectado.

Imanes Permanentes

Tipos: Alnico (↑mag rem ↓camp coerc), Cerámicos (↓mag rem ↑camp coerc), Tierras raras (↑mag rem ↑camp coerc).