Máquinas Eléctricas Rotatorias: Fundamentos y Componentes

Máquinas Eléctricas Rotatorias

• Un motor eléctrico transforma la energía eléctrica en energía mecánica, basado en fuerzas de campos magnéticos creados por corrientes en bobinas.
• Los motores pequeños combinan campos de corriente eléctrica con imanes permanentes.
• Los motores son normalmente reversibles y actúan como dinamos (corriente continua) o alternadores (corriente alterna) al recibir energía mecánica.
• Los generadores y alternadores convierten energía mecánica en energía eléctrica.

Aspectos Constructivos

• Las partes de una máquina eléctrica rotatoria son:
  • Estator (parte fija)
  • Rotor (parte móvil dentro del estator)
  • Entrehierro (espacio entre estator y rotor, lo más pequeño posible en fracciones de mm).
• Dos circuitos eléctricos: uno en el rotor y otro en el estator.
  • Bobina de excitación (inductor): produce un flujo magnético con una fuerza magnetomotriz al ser recorrida por una corriente eléctrica.
  • Bobina de inducido: se induce una FEM que genera un par motor o un par resistente, dependiendo de si es un motor o un generador.
• Los materiales en una máquina eléctrica son:
  • Activos: materiales magnéticos de alta permeabilidad como hierro, acero o chapa al silicio y conductores eléctricos de cobre o aluminio.
  • Aislantes: canalizan las corrientes y evitan fugas.
  • Materiales para lubricación, ventilación y transmisiones mecánicas.

Clasificación de Máquinas Eléctricas

• Generadores:
  • Corriente continua: dinamo (según la excitación: independiente, serie, shunt, compound).
  • Corriente alterna: alternador (monofásico o polifásico, polos lisos o salientes).
• Motores:
  • Corriente continua: motor de corriente continua (según la excitación: independiente, serie, shunt, compound).
  • Corriente alterna: motor de corriente alterna (inducción o asíncronos, síncronos, universales).

Conceptos Generales

• Potencia: energía desarrollada por unidad de tiempo.
  • Potencia eléctrica: absorbida de la red (motor) o entregada a la red (generador).
  • Potencia mecánica: cedida a la carga (motor) o proporcionada al eje (generador) a través de una turbina.
• Potencia útil:
  • Motor: Potencia mecánica obtenida del movimiento del eje.
  • Generador: Potencia eléctrica suministrada.
• Potencia nominal: Valor de la potencia útil que caracteriza el funcionamiento de la máquina.
• Placa de características: placa metálica con las condiciones de servicio previstas para el funcionamiento normal.
• Plena carga: cuando la máquina funciona a la potencia nominal.
• Sobrecarga: la máquina trabaja por encima la potencia nominal.
• La potencia está limitada por el calentamiento de la máquina.
• Rendimiento (η): relación entre la potencia útil y la potencia absorbida.
• Pérdidas:
  • En conductores eléctricos (cobre).
  • En circuitos magnéticos debido a histéresis o corrientes parásitas (hierro).
  • Mecánicas por rozamiento y ventilación.
• Característica torque-velocidad de un motor: gráfica de las variaciones de los pares en función de la velocidad.
• Par resistente: momento que se opone al movimiento en un generador.
• Par motor: determina el giro del motor.
• La velocidad de funcionamiento se fija cuando el par del motor iguala al par requerido por la carga.

Fases de Funcionamiento del Motor

• Arranque: El motor se conecta a la red eléctrica, momento en el que se debe vencer rozamientos e inercia (par de arranque).
• Aceleración: El motor aumenta su velocidad hasta alcanzar la velocidad nominal.
• Régimen nominal: El motor funciona a velocidad constante, con el par motor igual al par resistente.

Motores de Corriente Alterna de Inducción o Asíncronos

• Motor industrial común por su sencillez, robustez y seguridad.
• Generan un campo magnético giratorio en el estator que induce corriente en el rotor, haciéndolo girar.
• La velocidad es bastante estable y su velocidad depende de la frecuencia de la corriente alterna.
• Tiene un buen par de arranque (torque).
• Se pueden usar variadores electrónicos de frecuencia para modificar su velocidad.
• El estator contiene tres bobinas desfasadas a 120°, conectadas a un sistema trifásico, formando así un campo magnético giratorio.
• La velocidad de este campo se denomina velocidad síncrona (ωs ó ns).
• La velocidad síncrona (ns) depende de la frecuencia (f) de la red eléctrica y del número de polos (p) del motor: ns = (120 * f) / p
• En la caja de bornes de un motor trifásico hay seis terminales, correspondientes a las tres bobinas del estator.
• Las terminales siguen normas internacionales: U, V, W (entradas) y X, Y, Z (salidas).
• Las bobinas del estator pueden conectarse en estrella o en triángulo, dependiendo de la tensión de la red.
• Un motor marcado con 380/220 V en su placa puede conectarse en estrella a 380 V (cada devanado a 220 V) o en triángulo a 220 V.
• El rotor es la parte móvil dentro del estator, hecho de placas apiladas con ranuras para los conductores que forman la bobina de inducido (cerrados sobre sí mismos).
• Al ser afectados los conductores por el campo magnético variable se crean fuerzas que obligan al rotor a girar.

Tipos de Rotor

• Rotor de jaula de ardilla: barras de cobre o aluminio unidas por anillos en los extremos.
• Rotor bobinado (anillos rozantes): tres devanados de cobre conectados a anillos que giran con el eje; escobillas conectan estos devanados a resistencias externas para regular la velocidad.

Deslizamiento

• La velocidad de giro del rotor es menor que la velocidad de sincronismo; esta diferencia se mide con el deslizamiento, expresado en porcentaje.
• s = ((ns - n) / ns) * 100
• En vacío, el deslizamiento es mínimo (0.1%); con carga, aumenta (hasta 4%).
• Al incrementarse la carga, el deslizamiento aumenta, generando más FEM y corrientes en el rotor, lo que a su vez incrementa el par motor.
• El par útil (Mu) del motor está definido por: Mu = Pu / ω, donde Pu es la potencia útil y ω es la velocidad angular del eje.
• En el arranque, el campo magnético giratorio induce altas corrientes en el rotor, generando un par de arranque fuerte.

Funcionamiento del Motor

• El momento del arranque, el estator al conectarse genera el campo magnético que interactúa con conductores del rotor induciendo corrientes elevadas
• Estas corrientes producen fuertes fuerzas en los conductores del rotor causando el par de arranque
• Las corrientes inducidas originan una fuerza magnetomotriz que es compensada desde el estator aumentando las corrientes que absorbe de la red
• Al circular corriente por el rotor, este gira aceleradamente en el mismo sentido que el campo magnético. El movimiento relativo entre rotor y estator disminuye, reduciendo la FEM y las corrientes.
• El equilibrio se alcanza cuando el par motor iguala al par resistente.
• Si se sobrepasa el par máximo, el motor se detiene y las corrientes aumentan hasta niveles peligrosos.
• En el arranque, el motor consume mucha corriente, lo cual puede causar sobrecargas, caídas de tensión y daños.
• Para reducir esta corriente, puede disminuirse la tensión aplicada, lo que también reduce el par de arranque.

Inversión de Giro en Motores Asíncronos

• Para invertir el giro, se invierte el sentido del campo giratorio del estator, intercambiando la conexión de dos fases.

Clasificación NEMA de Motores Asíncronos Trifásicos

• Clasificados según el diseño de la jaula del rotor para potencias mayores de 1 HP.

Modos de Operación de un Motor de Inducción Trifásico

• Freno eléctrico: el motor es accionado mecánicamente en sentido opuesto al flujo magnético rotatorio, generando un torque resistente que lo frena.
• Generador: el rotor gira a una velocidad mayor que la síncrona, produciendo un deslizamiento negativo y un torque que permite generar energía eléctrica en el estator (poco eficiente en rotores de jaula de ardilla).
• Motor: el estator genera un flujo magnético rotatorio que induce corrientes en el rotor, produciendo un torque motriz que hace girar al rotor (modo más común).

Aplicaciones de Motores

• Los motores trifásicos y monofásicos cubren la demanda de fuerza motriz industrial.
• Par resistente constante: ascensores, bombas, compresores de pistón, bandas transportadoras, herramientas de corte constante, laminadoras, etc.
• Par resistente creciente proporcional a la velocidad: calandras.
• Par resistente creciente proporcional al cuadrado de la velocidad: bombas centrífugas, ventiladores, compresores rotativos, etc.
• Par resistente decreciente con la velocidad: tornos, máquinas bobinadoras.
• Los motores asíncronos consumen mucha energía reactiva, reduciendo el factor de potencia.
• Los motores monofásicos se utiliza cuando la potencia requerida es pequeña y solo se dispone de energía monofásica (electrodomésticos, equipos de oficina, etc.).
• Desventajas de motores monofásicos: mayor caída de velocidad ante la carga, menor rendimiento y menor factor de potencia comparado con los trifásicos.

Máquina Sincrónica

• Una bobina expuesta a un campo magnético rotatorio induce un voltaje alterno sinusoidal cuya frecuencia depende de la velocidad angular del eje (ley de Faraday).
• El principio de operación es la generación de un campo magnético rotatorio que hace girar al rotor a una velocidad dependiente de la rotación del campo.
• El estator se utiliza una estructura estándar trifásica con tres juegos de devanados (a-a', b-b', c-c') geométricamente espaciadas a 120° que generan voltajes desfasados en 120° eléctricos, obteniendo así un generador sincrónico trifásico.
• El devanado de campo está en el rotor, conectado mediante escobillas, similar a las máquinas de corriente continua.
• El campo del rotor se genera con corriente continua o imanes permanentes.
• El rotor se conecta a una fuente mecánica (turbina), girando a velocidad constante (velocidad síncrona).
• Los generadores sincrónicos trifásicos son fundamentales en los sistemas eléctricos de potencia en cualquier central generadora.
• Pueden ser monofásicas o polifásicas y se usan como motores, generadores, reactores o condensadores.
• El rotor se acciona mecánicamente para inducir voltajes alternos en el estator; se aplican turbinas hidráulicas o de vapor, motores de combustión, etc.

Motores Síncronos

• Giran a velocidad constante e igual a la velocidad síncrona, dependiendo del número de polos (p) y la frecuencia de la red (f): η = (120 x f) / 2p
• Estos motores se utiliza en aplicaciones que requieren velocidad constante o para compensar energía reactiva (factor de potencia cercano a 1).
• Tienen mejor rendimiento que los asíncronos, pero son más costosos y requieren más mantenimiento.
• Factores para su utilización son: costo de la energía, horas anuales de operación, factor de potencia de la instalación, precio del motor, costos de mantenimiento y la constancia de la velocidad requerida.

Motor Eléctrico de Corriente Continua

• Clases: Independiente.
• Paralelo (Derivación).
• Serie.
• Compuesto (combinación serie / paralelo).

Motores de Corriente Continua

• Fáciles de regular la velocidad.
• Esenciales para aplicaciones que requieran amplias variaciones, cambios rápidos o control automático de par y velocidad.
• Uso amplio en industrias papeleras, textiles, químicas, alimenticias, siderúrgicas y metalúrgicas.