Resumen Tema 8 Máquinas Eléctricas de Corriente Alterna PDF

Máquinas eléctricas de corriente alterna ======================================== 1. Clasificación y principio de funcionamiento ---------------------------------------------- ### 1.1. Clasificación de las máquinas eléctricas rotativas de C.A. Como vimos en temas anteriores, existen dos tipos de...

Máquinas eléctricas de corriente alterna ======================================== 1. Clasificación y principio de funcionamiento ---------------------------------------------- ### 1.1. Clasificación de las máquinas eléctricas rotativas de C.A. Como vimos en temas anteriores, existen dos tipos de máquinas eléctricas que se diferencian claramente, por un lado, están las estáticas, y por otro las dinámicas o rotativas. Las estáticas hacen referencia a los transformadores, mientras que las rotativas se refieren a los generadores (alternadores) y motores de C.C. y corriente alterna. Las máquinas eléctricas de corriente alterna, al igual que las de corriente continua, son reversibles, lo que significa que pueden operar tanto de generador (alternador) como de motor. Una posible categorización para estas máquinas eléctricas de C.A. podría ser la siguiente: ### 1.2. Principio de funcionamiento Las máquinas eléctricas de corriente alterna, como motores y generadores, funcionan según el principio de inducción electromagnética, donde una bobina en un campo magnético variable induce una corriente eléctrica. En un motor eléctrico, esta corriente genera un campo magnético en el rotor, creando un par motor que lo hace girar. En un generador, el movimiento del rotor en el campo magnético del estator produce corriente eléctrica en las bobinas del rotor, que puede ser utilizada como energía. La rotación del rotor en el campo magnético estacionario del estator genera corriente alterna, y tanto la velocidad de rotación como el diseño de la máquina influyen en la frecuencia y amplitud de la corriente producida. 2. Constitución de máquinas eléctricas rotativas de C.A. -------------------------------------------------------- Todas las máquinas eléctricas, incluyendo las de corriente alterna, están compuestas por un circuito magnético y dos circuitos eléctricos, lo que les permite operar de manera efectiva ### 2.1. Máquinas síncronas Las máquinas eléctricas síncronas son aquellas en las que el rotor gira a la velocidad de sincronismo. Su circuito magnético consta de una parte fija en el estator y una parte móvil en el rotor. A diferencia de las máquinas de corriente continua, en estas máquinas el devanado de armadura se encuentra en el estator y el núcleo en el rotor. El estator, que es estacionario, tiene un núcleo de hierro laminado con ranuras donde se alojan las bobinas que generan un campo magnético estacionario conectado a una fuente de corriente alterna. El rotor, que es móvil, puede ser de tipo jaula de ardilla o bobinado, y contiene bobinas conectadas a una fuente de corriente continua que producen un campo magnético giratorio. La brecha de aire entre el estator y el rotor es esencial para el funcionamiento, ya que permite el movimiento del rotor y previene el rozamiento. El tamaño de esta brecha afecta la eficiencia, potencia y estabilidad de la máquina. En estas máquinas, el circuito eléctrico se compone de un inductor y un inducido, con la diferencia de que el inducido está en el estator y el inductor en el rotor. ### 2.2. Máquinas asíncronas Las máquinas asíncronas, también conocidas como máquinas de inducción, son dispositivos eléctricos que convierten energía eléctrica en energía mecánica. A diferencia de las máquinas síncronas, no requieren estar sincronizadas con una fuente de alimentación externa, ya que generan su propio campo magnético giratorio mediante el principio de inducción electromagnética. Su circuito magnético consta de dos partes: una fija en el estator y otra móvil en el rotor. La construcción del estator en las máquinas asíncronas es similar a la de las máquinas síncronas, por lo que no se detalla nuevamente. El rotor de las máquinas asíncronas está formado por barras de cobre y laminaciones de hierro, creando una jaula de ardilla o un bobinado en cortocircuito, y se sitúa dentro del estator. Al aplicar un voltaje al estator, se induce una corriente en el rotor, generando su propio campo magnético giratorio. La interacción entre los campos magnéticos del estator y el rotor provoca el giro del rotor, convirtiendo energía eléctrica en mecánica. Estas máquinas son muy utilizadas en la industria debido a su eficiencia y bajo costo de mantenimiento. Son capaces de arrancar bajo carga y toleran fluctuaciones en el voltaje y la frecuencia de la fuente de alimentación. También son comunes en el transporte, como en motores de tracción de trenes, por su alta potencia y bajo mantenimiento. El circuito eléctrico de la máquina se compone de un inductor y un inducido, siendo el devanado del inductor similar al de las máquinas síncronas, mientras que el inducido puede ser de barra en cortocircuito o bobinado. 3. Máquinas síncronas y asíncronas ---------------------------------- Tanto las máquinas síncronas como las asíncronas operan de acuerdo con la interacción de los campos magnéticos generados en el rotor y en el estator de la máquina. ### 3.1. Máquinas síncronas Al suministrar corriente eléctrica al estator de la máquina, se genera un campo magnético que gira alrededor del rotor. El rotor, a su vez, tiene un campo magnético propio. Si la velocidad de rotación del rotor coincide con la frecuencia de la corriente aplicada al estator, los polos magnéticos del rotor y del estator se alinean, lo que produce una corriente eléctrica en las bobinas del estator. Esta corriente generada tiene una frecuencia constante, y su amplitud depende de la carga conectada a la máquina. ### 3.2. Máquinas asíncronas Al suministrar corriente eléctrica al estator, se genera un campo magnético rotativo que induce una corriente en las barras del rotor. Este proceso produce un campo magnético en el rotor que gira en sentido contrario al del estator. La velocidad del campo magnético del rotor es ligeramente inferior a la del estator, creando un desfase entre ambos. Esta diferencia de fase genera un par motor que hace girar el rotor. Aunque la velocidad del rotor aumenta a medida que disminuye el desfase, nunca alcanza completamente la velocidad del campo magnético del estator, lo que se conoce como funcionamiento asíncrono. 4. Circuitos de las máquinas eléctricas de C.A ---------------------------------------------- Existen dos tipos de circuitos, el estatórico y el rotórico. Los circuitos estatóricos son circuitos eléctricos que se encuentran en el estator de una máquina eléctrica. Son una parte fundamental de las máquinas eléctricas y se utilizan para generar campos magnéticos que interactúan con el rotor para producir energía mecánica o eléctrica. Motor eléctrico: En él, los circuitos estatóricos se utilizan para generar un campo magnético que gira alrededor del rotor. Cuando se aplica una corriente eléctrica a las bobinas del estator, se genera un campo magnético que gira alrededor del rotor y produce un par motor que hace girar el rotor. La velocidad del rotor va a depender de la frecuencia de la corriente aplicada y de la cantidad de carga conectada al motor. Generador eléctrico: En él, los circuitos estatóricos se utilizan para crear un campo magnético estacionario que induce una corriente eléctrica en el rotor cuando gira. La corriente eléctrica generada en el rotor se utiliza para generar energía eléctrica que se transmite a la carga. Los circuitos rotóricos son circuitos eléctricos que se encuentran en el rotor de una máquina eléctrica. El rotor es la parte móvil de la máquina eléctrica y consta de un conjunto de conductores eléctricos que giran dentro del campo magnético que produce el estator. Motor eléctrico: En él, los circuitos rotóricos se utilizan para recibir la corriente eléctrica del estator y convertirla en un movimiento mecánico rotativo. Cuando se suministra una corriente eléctrica al estator, se origina un campo magnético que gira alrededor del rotor. Generador eléctrico: En él, los circuitos rotóricos se utilizan para generar una corriente eléctrica en respuesta a un movimiento mecánico rotativo. Cuando el rotor gira dentro del campo magnético producido por el estator, los circuitos rotóricos generan una corriente eléctrica que se transmite a carga. En resumen, los circuitos rotóricos son una parte fundamental de las máquinas eléctricas y se utilizan para generar un movimiento mecánico rotativo en motores y corriente eléctrica en generadores. Los circuitos rotóricos deben estar diseñados para interactuar de manera efectiva con el campo magnético del estator para garantizar un funcionamiento eficiente y confiable de la máquina eléctrica. 5. Bobinados de las máquinas eléctricas de C.A. ----------------------------------------------- Los bobinados en máquinas de corriente alterna se dividen en dos tipos: trifásicos y monofásicos. - **Bobinado trifásico**: Utiliza tres fases de corriente alterna, con bobinas dispuestas en un patrón de fase que crea un campo magnético giratorio esencial para su funcionamiento. Este tipo de bobinado se emplea en máquinas de mayor potencia y aplicaciones industriales. - **Bobinado monofásico**: Utiliza una sola fase de corriente alterna y se utiliza en máquinas de menor potencia, como ventiladores y pequeños motores eléctricos. No genera un campo magnético giratorio, lo que limita su potencia. En resumen, los bobinados trifásicos son más adecuados para aplicaciones industriales, mientras que los monofásicos son comunes en el consumo doméstico. Además, los bobinados de C.A. pueden clasificarse según varios factores, como el número de fases y la forma de la bobina. 6. Valores característicos de las máquinas de C.A. -------------------------------------------------- Los valores característicos de las máquinas eléctricas de corriente alterna son fundamentales para su funcionamiento y rendimiento: - **Potencia nominal**: Máxima potencia que puede entregar sin sobrecalentamiento, expresada en kW para motores y kVA para generadores. - **Tensión nominal**: Tensión de salida o entrada esperada en condiciones normales, expresada en voltios (V). - **Frecuencia nominal**: Frecuencia de operación para la que la máquina está diseñada, siendo 60 Hz en América del Norte y 50 Hz en Europa. - **Velocidad nominal**: Velocidad de rotación necesaria para generar la potencia nominal, expresada en revoluciones por minuto (RPM). - **Factor de potencia**: Relación entre la potencia real entregada y la potencia aparente consumida; un valor cercano a 1 indica mayor eficiencia. - **Eficiencia**: Relación entre la potencia de salida real y la potencia de entrada; una alta eficiencia significa mejor conversión de energía. - **Corriente de arranque**: Corriente máxima consumida al iniciar, que puede ser varias veces mayor que la corriente nominal. - **Par nominal**: Máximo par de torsión que puede generar sin sobrecalentamiento, expresado en Newton-metros (Nm), crucial para aplicaciones que requieren alto torque. 7. Curvas características de las máquinas eléctricas de C.A. ------------------------------------------------------------ Las curvas características de las máquinas de corriente alterna son gráficos que ilustran la relación entre diversos parámetros eléctricos y mecánicos bajo diferentes condiciones de operación. Las más comunes son: - **Curva de carga**: Muestra la relación entre la potencia de salida y la carga eléctrica; generalmente, a mayor carga, menor potencia de salida. - **Curva de eficiencia**: Indica la eficiencia en distintas condiciones de carga, siendo mayor cerca de la carga nominal y disminuyendo en cargas menores o mayores. - **Curva de par**: Relaciona el par producido con la carga eléctrica; el par aumenta con la carga hasta un máximo y luego disminuye. - **Curva de velocidad**: Muestra la relación entre la velocidad de rotación y la carga; a medida que aumenta la carga, la velocidad de rotación disminuye. - **Curva de factor de potencia**: Relaciona el factor de potencia con la carga eléctrica; generalmente, a mayor carga, el factor de potencia disminuye. Estas curvas son cruciales para el diseño, selección y operación de las máquinas, ya que ayudan a entender su comportamiento en diferentes condiciones de carga y a optimizar su rendimiento, además de facilitar el mantenimiento preventivo.