Frecuencia y Conceptos Fundamentales

En el estudio de la máquina elemental de dos polos, una vuelta completa de la espira (ciclo geométrico) genera un ciclo (eléctrico) en la fuerza electromotriz inducida. El tiempo que tarda en producirse dicho ciclo se denomina periodo (T) y se expresa en segundos. Así, el número de ciclos por segundo se denomina frecuencia (f) y se mide en hercios (Hz). De esta forma se puede establecer una relación entre las dos magnitudes: T = 1/f.

En las máquinas eléctricas rotativas de corriente alterna, la frecuencia está relacionada con la velocidad de rotación del rotor (N) en revoluciones por minuto (rpm) y con el número de pares de polos (p) de la máquina, según la fórmula: f = (p * N) / 60.

Un sistema trifásico está formado por tres fuerzas electromotrices iguales en frecuencia y magnitud, pero desfasadas entre sí 120 grados eléctricos.

Máquinas Síncronas

Circuitos Principales

Circuito inductor: Es el encargado de generar el campo magnético de excitación.

El colector de anillos: A diferencia de las máquinas de corriente continua, la alimentación del circuito del rotor en una máquina síncrona no requiere conmutación, utilizando para ello un colector de anillos.

El circuito inducido: El devanado del inducido se encuentra alojado en el estator y, en función del número de fases para el que ha sido diseñado, puede ser monofásico, bifásico o trifásico. No obstante, debido a que los últimos son los más utilizados en la industria, serán los que aquí se estudiarán principalmente.

Caja de Bornes

Desde el interior de la máquina a la caja de bornes llegarán 8 conductores.

Funcionamiento como Generador (Alternador)

Alternador: Los alternadores son los encargados de producir la mayor parte de la energía eléctrica que utilizamos en la actualidad. Estos se encuentran en las centrales de producción eléctrica y son movidos utilizando sistemas hidráulicos, eólicos o por vapor a presión.

Funcionamiento como Motor (Motor Síncrono)

Motor síncrono: La máquina síncrona, además de funcionar como generador, puede usarse como motor. Para ello debe mantenerse la corriente de excitación y aplicar la alimentación (en este caso trifásica) al devanado del estator.

Con estas condiciones de alimentación se produce en el circuito magnético del estator el efecto denominado campo magnético giratorio, ya mencionado al principio de esta unidad. Si se alimenta la excitación, el devanado inductor genera un campo magnético fijo que intenta alinearse con el campo giratorio. En un breve periodo de tiempo (el necesario para alcanzar la velocidad de sincronismo), no puede arrancar por sí solo debido a la inercia.

Máquinas Asíncronas

Deben su nombre a que funcionan a una velocidad diferente (inferior) a la de sincronismo. El funcionamiento como motor es el principal uso de las máquinas asíncronas.

Rotor

Existen principalmente dos tipos de rotores:

  • Rotor en cortocircuito (o de jaula de ardilla): Este tipo no dispone de ranuras abiertas que permitan insertar en ellas un bobinado ejecutado a base de hilo o pletina esmaltada. En su lugar, tiene barras conductoras cortocircuitadas en los extremos.
  • Rotor ranurado (o bobinado): Su aspecto es similar al de otros rotores ya estudiados para otros tipos de máquinas, con ranuras para alojar un devanado.

Inductor (Estator)

El devanado del inductor (ubicado en el estator) es idéntico al utilizado en el estator de la máquina síncrona. En la industria, aunque existen devanados de tipo monofásico y bifásico, mayoritariamente son de tipo trifásico, que están formados por tres devanados (uno por fase) distribuidos por el perímetro de la armadura y separados entre sí 120 grados eléctricos.

El número de polos de una máquina se define en el momento de la ejecución de este devanado. Así, la velocidad de giro dependerá de este dato y de la frecuencia de la red de alimentación.

Inducido (Rotor)

Es el circuito eléctrico que está ubicado en el rotor. Puede ser de dos tipos principales según la construcción del rotor:

  • De barras en cortocircuito (Jaula de ardilla): Incluye variantes como:
    • De doble jaula
    • De ranura profunda
    Este tipo de máquinas es el más utilizado en la actualidad debido a que su mantenimiento es prácticamente nulo gracias a la ausencia de conexiones móviles o rozantes (escobillas, colector), algo que es característico en otros sistemas.
  • De rotor bobinado: El tambor del rotor es de tipo ranurado y en él se alojan las bobinas que constituyen el devanado, que recibe el nombre de rotórico. Este tipo sí requiere anillos rozantes y escobillas para conectar el devanado rotórico al exterior.

Funcionamiento del Motor Asíncrono

En una máquina asíncrona, funcionando como motor, al alimentar el devanado del estator se genera un campo magnético de tipo giratorio que induce una corriente sobre el devanado del rotor (sea de barras o bobinado). Esta corriente a su vez genera por inducción (de ahí el nombre que se le suele dar a este tipo de motores) un campo magnético rotórico que se comporta como si de imanes permanentes se tratara. De esta forma, el rotor intenta alinearse con el campo del estator, provocando en él un par de fuerzas que causan el giro. Así, siempre que se mantenga el campo del inductor, el rotor gira buscando su alineamiento, aunque nunca alcanza la velocidad del campo giratorio (velocidad de sincronismo).