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Fundamentos y Tipos de Máquinas Eléctricas: CC y CA
Máquinas de corriente continua
Principio de funcionamiento
Si una espira o bobina se mueve en el interior de un campo magnético inductor, cortando sus líneas de fuerza, en ellas se genera una fuerza electromotriz que puede ser utilizada en el exterior mediante un sistema de conmutación denominado colector. En este caso, la máquina funciona como generador (dinamo), ya que es capaz de transformar la energía mecánica en eléctrica.
Si, por el contrario, por dicha bobina o espira se hace circular una corriente eléctrica, esta genera un campo magnético con diferente polaridad en cada uno de sus lados activos. Si dicha polaridad coincide con la del campo inductor, la bobina produce un par de fuerzas que la hace girar sobre su eje.
Todas las máquinas de corriente continua son reversibles, ya que transforman la energía mecánica en eléctrica y viceversa; es decir, pueden ser generador o motor.
Constitución de las máquinas de corriente continua
Está formada principalmente por un circuito magnético y dos circuitos eléctricos.
Circuito magnético
Formado por una parte fija ubicada en el estator y una móvil en el rotor. Sobre ella se encuentran los bobinados y los circuitos eléctricos. El circuito magnético está constituido por piezas o masas polares, tantas como polos tenga la máquina. Al espacio de aire que existe entre las dos partes del circuito magnético se le llama entrehierro.
El circuito rotativo es un tambor cilíndrico de chapa magnética que se encuentra ranurado de forma axial. Se denomina armadura y por su centro pasa el eje de la máquina, el cual también se encuentra embutido el colector de delgas y los rodamientos.
Circuito eléctrico
Está constituido por dos partes bien diferenciadas: inductor e inducido.
Inductor
Se encuentra alojado en el estator y bobinado sobre las piezas polares. Es el encargado de generar el campo magnético fijo que se induce sobre el circuito del rotor. Está constituido por bobinas cuyo número es igual al número de pares de polos que tiene la máquina. El inductor también recibe el nombre de excitación o devanado de excitación.
El número de polos siempre es par y la polaridad de forma alternativa. El centro de cada uno de los polos es el eje polar, habiendo tantos como pares de polos tenga la máquina. El ángulo entre los dos polos positivos siempre debe ser el mismo. El eje entre los dos polos se denomina línea neutra y sobre ella los efectos magnéticos son nulos. La máquina tendrá tantas líneas neutras como pares de polos.
Inducido
Alojado en el rotor. El devanado consta de numerosas bobinas que se sitúan en las ranuras del tambor y se encuentra conectado al exterior por el sistema de conmutación.
Elemento de conmutación
Encargado de conectar eléctricamente los devanados del inducido con el circuito exterior, denominado colector. Es el elemento que más desgaste sufre debido al funcionamiento de la máquina. Los sistemas de conmutación que pertenecen a máquinas de gran potencia son accesibles desde el exterior para su supervisión y comprobación sin necesidad de desmontar la máquina.
Colector
Tambor formado por pequeñas láminas de cobre llamadas delgas. Están aisladas entre sí y de otros elementos metálicos de la máquina mediante mica o micanita. Sobre el colector apoyan las escobillas, que son las encargadas de establecer la conexión eléctrica con el inducido a través de las delgas. Las escobillas son de grafito, aunque pueden ser de latón.
Las escobillas son el elemento de la máquina que más se cambia en las tareas de mantenimiento. La presión de las escobillas sobre el colector suele ser ajustable mediante resorte o tensor. En ningún caso se deben cambiar las escobillas en marcha.
Colocación de escobillas
La misión del elemento de conmutación es mantener el mismo sentido de corriente en una bobina. Esto ocurre cuando las dos delgas de la bobina giran lo suficiente como para situarse entre dos escobillas. Para que la conmutación se realice eficientemente, las escobillas tienen que estar en las líneas neutras. La máquina dispone de tantas escobillas como líneas neutras.
Reacción de inducido
Cuando los devanados del inducido de una máquina de corriente continua funcionan como motor y son atravesados por corriente eléctrica, en ellos se generan campos magnéticos cuyas líneas de fuerza se muestran en la figura.
Cuando se aplica una carga a la máquina, la corriente del inducido aumenta y también el campo generado en él. Este efecto produce una distorsión del campo inductor y genera un desplazamiento de la línea neutra un número determinado de grados. A esto se le denomina reacción de inducido y hay que tenerlo en cuenta para realizar un correcto calado de las escobillas, si no, produce exceso de chispas en las escobillas y el colector.
Los efectos producidos por la reacción del inducido son asumibles en máquinas pequeñas y en aquellas cuya carga es constante. Sin embargo, en máquinas de gran potencia cuya carga no es constante, para evitar el desplazamiento de las líneas neutras debido a la reacción del inducido, se colocan polos de conmutación o auxiliares. Los polos de conmutación son piezas polares de menor tamaño que las principales, se ubican en la línea neutra de la máquina. Su devanado se conecta en serie con el devanado del inducido y genera un campo de compensación que evita la distorsión del campo de excitación y la necesidad de desplazar la línea de escobillas.
Funcionamiento como motor de corriente continua
Inversión de giro
Para invertir el sentido de giro se debe cambiar el sentido de la corriente en uno de sus devanados (inducido o inductor). Desde el exterior de la máquina, esto se realiza cambiando los cables de alimentación en los bornes del inducido o del inductor. En la práctica, siempre se recomienda invertir las conexiones del inducido en lugar de las del inductor, ya que cambiar la polaridad del inductor podría, en ciertas condiciones, debilitar el campo y causar un embalamiento peligroso del motor.
Arranque de los motores de corriente continua
En el momento del arranque se genera una sobreintensidad que puede perjudicar tanto la instalación de alimentación como los devanados de la máquina. Para disminuir dicha corriente, se conecta un reostato en serie con el devanado del inducido. Así, cuando el motor alcance su velocidad y corriente nominales, el reostato se anula (se cortocircuita).
Variación de velocidad
La velocidad (N) de un motor de CC es directamente proporcional a la tensión de inducido (VAB) e inversamente proporcional al flujo de excitación (Φ). La relación es aproximadamente:
N = k * VAB / Φ
La constante k es propia de la máquina y es definida por el fabricante en función del número de polos, espiras y derivaciones del devanado.
La forma clásica de regular la velocidad de un motor de CC se basa en colocar un reostato en serie con uno de los devanados. Esto es sencillo y eficaz desde el punto de vista técnico, pero no tanto desde el punto de vista del montaje e instalación (debido a la disipación de potencia en el reostato).
Si el reostato se conecta en serie con el circuito de inducido, la regulación de velocidad se realiza a par constante (aproximadamente).
Si se conecta un reostato en serie con el inductor, la regulación se realiza a potencia constante (aproximadamente).
Actualmente, el arranque y la regulación de velocidad en un motor de CC se realizan principalmente mediante aparatos electrónicos (convertidores de potencia).
Ventajas de la regulación electrónica:
- Mayor espacio en el cuadro de control.
- Mayor facilidad en el ajuste y configuración.
- Mejor interconexión con otros sistemas de control industrial y autómatas programables.
Variación de velocidad regulando la tensión del inducido
Al regular la tensión del inducido (VAB), la velocidad varía de forma aproximadamente lineal. Si el motor dispone de par resistente en el eje, la gráfica no sería exactamente una recta debido a las deformaciones del flujo por el efecto de reacción del inducido.
Variación de velocidad regulando la corriente de excitación
Al disminuir la corriente de excitación, la velocidad del motor aumenta. En este caso, hay un punto crítico de corriente (IA) que indica que, al disminuir demasiado la intensidad de excitación, la máquina tiende a embalarse de forma peligrosa (aumentar su velocidad descontroladamente).
Devanados de máquinas de corriente continua
Devanado inductor/excitación
Se encuentra en el estator y dispone de tantas bobinas como número de polos tiene la máquina. En el caso de instalación de polos de conmutación, debe añadirse un número de bobinas auxiliares igual al número de polos principales. Cada bobina debe generar un polo, y al menos debe haber dos bobinas de signo contrario para generar el campo magnético de excitación. La conexión entre bobinas inductoras se hace en serie, de modo que los signos de los polos magnéticos sean contrarios para bobinas contiguas.
Devanado del inducido
Se ubica en el rotor. Se conecta al exterior a través de dispositivos de conmutación.
Clasificación de devanados del inducido
Los devanados de los inducidos se clasifican:
- Según el número de capas por ranura:
- Una capa: Las ranuras son ocupadas por los conductores de una sola bobina.
- Dos capas: Las ranuras son ocupadas en dos niveles por dos bobinas.
- Según la conexión de las bobinas al colector: Se caracterizan porque cada lado de la bobina queda situado debajo de un polo de signo contrario. Se clasifican a su vez en simples o múltiples. Pueden ser:
- Imbricados (o en paralelo):
- Ondulados (o en serie):
Máquinas de corriente alterna
Máquinas síncronas
Máquina eléctrica rotativa de corriente alterna cuya velocidad de rotación del eje y la frecuencia eléctrica están sincronizadas y son mutuamente dependientes.
Circuito magnético
A diferencia de las máquinas de corriente continua, la armadura (inducido) está en la parte fija (estator) y el inductor (culata) en la parte móvil (rotor).
El circuito magnético fijo es la armadura, formada por un apilamiento de chapas magnéticas embutidas en la carcasa del estator. Están ranuradas para alojar las bobinas del devanado inducido. Las ranuras pueden tener diferentes tamaños y formas en función del tipo y tamaño de la máquina.
El circuito magnético rotativo, ubicado en el rotor, también está constituido por chapas magnéticas apiladas y destinado a alojar el devanado de excitación (inductor).
Dicho rotor puede ser de dos tipos:
- De polos salientes: Generalmente en máquinas de más de dos polos, de gran potencia y tamaño, que giran a baja velocidad.
- Ranurado o de polos lisos: Se utilizan en máquinas de pequeña potencia o bajo número de polos (generalmente 2 o 4), que giran a gran velocidad.
Diferencias entre máquinas síncronas y asíncronas
Las máquinas síncronas operan a velocidad constante, que está sincronizada con la frecuencia de la corriente alterna que las alimenta. Los motores asíncronos, en cambio, tienen una velocidad que puede variar y que no está sincronizada con la frecuencia de la red (existe un deslizamiento).
Aplicaciones de las máquinas síncronas
Su uso más común es como generador en plantas de generación eléctrica (nucleares, térmicas, hidráulicas, etc.). También se usan como motores en aplicaciones que requieren velocidad constante.
Circuitos eléctricos de una máquina síncrona
Tienen dos circuitos eléctricos: inductor e inducido. La principal diferencia con las máquinas de corriente continua es que la colocación de los devanados está invertida: el inducido está en el estator y el inductor en el rotor.
Inductor
Encargado de generar el campo magnético de excitación. Está bobinado sobre el rotor, formando un número fijo de polos con signo alternativo. El número de polos se define en el momento de construcción del rotor. La velocidad de sincronismo (Ns) está relacionada con la frecuencia (f) y el número de pares de polos (p) por la fórmula:
Ns (rpm) = (120 * f) / (número de polos) = (60 * f) / p
Conexión del inductor (Anillos rozantes)
La alimentación del devanado del inductor (que es de corriente continua) se realiza mediante un par de anillos rozantes (o colectores de anillos) sobre los que se apoyan las escobillas. Estos anillos permiten transferir la corriente continua al rotor giratorio.
Circuito de inducido
El devanado del inducido se encuentra en el estator y, en función del número de fases para el que ha sido diseñado, puede ser monofásico, bifásico o trifásico. El inducido de una máquina trifásica está formado por tres devanados (uno por fase) que se entrelazan siguiendo un diseño geométrico a través de las ranuras de la armadura. El número de polos del inducido debe ser el mismo que el número de polos del inductor.
Caja de bornes
Generalmente, tenemos ocho bornes: seis pertenecen al devanado del inducido (para conexión trifásica, por ejemplo) y dos a los portaescobillas que alimentan el circuito del inductor (excitación).
Funcionamiento como generador (Alternador)
Si se le aplica fuerza motriz al rotor (mediante una turbina, por ejemplo) a la vez que se alimenta el circuito de excitación (inductor) con una fuente externa de tensión continua, se obtiene en los bornes del estator (inducido) una tensión alterna cuya frecuencia depende de la velocidad de giro y del número de polos. La excitación del alternador puede conseguirse de diferentes formas: baterías, un sistema de excitación sin escobillas o un generador de excitación acoplado al propio eje de la máquina. La mayoría de los alternadores son trifásicos, pero para aplicaciones pequeñas pueden ser monofásicos o bifásicos.
Funcionamiento como motor síncrono
La máquina síncrona se puede usar como motor. Para ello, debe mantenerse la corriente en la excitación (rotor) y aplicar la alimentación de corriente alterna al devanado del estator (inducido).
Máquinas asíncronas (o de inducción)
Deben su nombre a que funcionan con una velocidad diferente a la de sincronismo (existe un deslizamiento). El funcionamiento como motor es el principal uso de las máquinas asíncronas, aunque en la actualidad también se usan como generadores (por ejemplo, en aerogeneradores). Las máquinas asíncronas constan de un circuito magnético y dos circuitos eléctricos.
Circuito magnético
Formado por dos partes: fija (estator) y móvil (rotor). La armadura o estator es similar al de las máquinas síncronas.
El rotor: Tipos
- Rotor en cortocircuito (o de jaula de ardilla): No dispone de ranuras abiertas que permitan insertar un bobinado. Sin embargo, dispone de un número determinado de barras rígidas (normalmente de aluminio o cobre) que se cierran en cortocircuito en sus extremos mediante anillos, formando así su propio devanado (similar a una jaula de ardilla). En los motores de gran potencia, las barras pueden ser intercambiables.
- Rotor ranurado (o bobinado): Ranurado en todo su contorno para alojar el devanado.
Circuitos eléctricos de máquinas asíncronas
Si consideramos el funcionamiento como motor, el circuito inductor está ubicado en el estator y el inducido en el rotor.
Inductor (Estator)
Similar al de las máquinas síncronas. El número de pares de polos de una máquina asíncrona se define en el momento de su construcción. La velocidad de sincronismo (Ns) dependerá del número de pares de polos (p) y la frecuencia (f) de la red:
Ns (rpm) = (60 * f) / p
Inducido (Rotor)
Circuito eléctrico ubicado en el rotor.
Tipos de inducido
- De barras en cortocircuito (Jaula de ardilla): Formado por barras (normalmente de aluminio) embutidas en ranuras (a menudo semi-cerradas o cerradas) en el tambor del rotor, que se cierran en sus extremos mediante anillos, dando al sistema un aspecto de jaula de ardilla. En los motores de gran potencia, las barras pueden ser intercambiables. Para mejorar el par de arranque de los motores de jaula de ardilla, existen diseños especiales:
- Doble jaula: Constituido por un segundo bloque interno de barras concéntrico al principal.
- Ranura profunda: Un sistema de barras alargadas hacia el interior del rotor.
- Inducido de rotor bobinado: El tambor del rotor es de tipo ranurado y en él se alojan las bobinas que constituyen el devanado. Recibe el nombre de rotor bobinado o rotórico. Una de sus principales características es que dispone de un elevado par de arranque respecto a los motores de jaula de ardilla de ranura normal, especialmente si se conecta un reostato externo al circuito del rotor. El devanado del rotor suele estar formado por tres devanados que se conectan en estrella por uno de sus extremos y a los anillos rozantes (no colector) por el otro.
Devanados de máquinas de corriente alterna
Se ubican en el rotor de máquinas síncronas (bien sea de polos salientes o lisos) y en el estator de máquinas síncronas y asíncronas (ya sea funcionando como motor o generador). Los devanados del estator se diseñan según el número de fases del sistema de alimentación al que van a ser conectados.
Tipos de devanados
Devanados concentrados
Cada polo se forma con una única bobina arrollada sobre su pieza polar. Es el sistema más utilizado en el devanado inductor de las máquinas de corriente continua y se utiliza también en el devanado del inductor (rotor) de las máquinas síncronas basadas en rotor de polos salientes. Las bobinas de los grupos se constituyen de forma concéntrica con diferentes tamaños.
Devanados distribuidos
Utilizan varias ranuras por polo y fase, permitiendo un mejor aprovechamiento del núcleo de la máquina y optimizando así su tamaño. Es el más utilizado para la construcción de los circuitos eléctricos en el estator de máquinas de corriente alterna (síncronas y asíncronas). Los grupos de bobinas suelen ser iguales.
Conexión entre grupos de bobinas
Conexión por polos
Se realiza conectando el final de un grupo con el principio del grupo siguiente, de forma que se alternen las polaridades (N-S-N-S…).
Conexión por polos consecuentes
Se conecta el final de un grupo de bobinas con el final del grupo siguiente (o principio con principio), de forma que se obtienen polos de la misma polaridad adyacentes (N-N-S-S…). Este método permite obtener el doble de polos que la conexión por polos.
