Máquinas rotativas AC: Síncronas y Asíncronas

Unidad 4: Máquinas eléctricas
Tema 4: Máquinas rotativas de corriente alterna
Tema 4. Máquinas rotativas de corriente alterna
Ya has visto en temas anteriores el estudio de los motores de corriente continua y la clasificación de las
máquinas, pues bien, ahora vas a estudiar las máquinas de corriente alterna que son las que más se utilizan a
nivel doméstico e industrial.
Hoy en dia es necesario disponer de máquinas que nos proporcionen la energía eléctrica necesaria así como
motores que podamos utilizar tanto en uso doméstico como en la industria. Como ya sabes la corriente que
habitualmente utilizamos es alterna de ahí la importancia que tienen estas máquinas en electrotecnia.
Pero ¿cuándo utilizar una máquina monofásica y una trifásica?
Para potencias pequeñas se utilizan las maquinas monofásicas y para grandes potencias vamos a utilizar las
trifásicas.
Imagen 1. Fuente: Banco de imágenes del ITE.
Creative Commons
En este tema también vas a ver como se genera la electricidad, para ello utilizaremos los generadores o
alternadores y descubrirás que las máquinas rotativas pueden funcionar tanto como generador como motor, por
lo tanto podemos decir que son máquinas reversibles.
No obstante aunque se van a ver las diferentes posibilidades de trabajo de las máquinas rotativas de corriente
alterna podemos decir que salvo excepciones la maquinas síncronas van a funcionar como alternadores y las
asíncronas como motores.
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Video 1. Generador eléctrico.
Fuente: Youtube
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4.1. Máquinas síncronas
Lo primero que tenemos que saber es que una máquina síncrona puede funcionar como alternador o como
motor, si bien en el caso de las máquinas síncronas es más común el uso de las mismas como alternadores.
Por lo tanto podremos decir que un alternador síncrono va a ser aquel que gira a una velocidad constante para
transformar la energía mecánica en energía eléctrica en forma de corriente alterna.
Si lo que hacemos es transformar energía eléctrica en mecánica, la máquina síncrona estará funcionando como
motor.
Dependiendo de la potencia de la máquina nos podemos encontrar con las siguientes constituciones:
a. Máquinas superiores a 5KVA el devanado inducido está en el estator, encajado en unas ranuras y el
devanado inductor, alimentado por corriente continua, en el rotor.
b. Máquinas inferiores a 5KVA los devanados se colocan de forma inversa, igual que en las máquinas de
corriente continua.
Fíjate que hemos dicho que la corriente de excitación es continua, ¿eso qué significa?, pues sencillamente que
la velocidad de giro solo puede ser la sincrónica, que vendrá dada por:
Donde n es la velocidad en r.p.m, f es la frecuencia en Hz y p el número de pares de polos
Dependiendo del número de fases del devanado inducido, las máquinas síncronas se pueden clasificar en
monofásicas y polifásicas.
En función de la forma del inductor las podremos clasificar en maquinas de rotor de polos salientes o en
máquinas de rotor cilíndrico.
El comportamiento de las máquinas síncronas es muy parecido al de las máquinas de corriente continua que ya
has estudiado, con la salvedad de que en las síncronas se induce una tensión alterna producida por un campo
de excitación que también es variable.
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Imagen 2. Rotor de una máquina eléctrica.
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
Tenemos un motor síncrono de 4 pares de polos conectado a una red de frecuencia 400 Hz ¿cuál será la
velocidad de sincronismo?
Calcular el número de pares de polos que tiene un motor síncrono que gira a 750 r.p.m cuando está
conectado a una red de frecuencia 50 Hz.
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4.2. Alternador síncrono
El alternador síncrono es el generador de electricidad por excelencia, casi toda la energía eléctrica que
utilizamos hoy en día está producida por este tipo de máquinas.
Como ya sabes la corriente que utilizamos es alterna, por lo tanto nos interesará que la onda de excitación se
aproxime lo más posible a la senoide. Las máquinas síncronas de polos salientes, por su constitución, generan
una onda rectangular. Te preguntarás como conseguimos una senoide; pues muy sencillo, variaremos el valor
del entrehierro con un valor mínimo en el centro. Para conseguir esto constructivamente se fabrican
entrehierros de diferentes formas.
Al girar el rotor con la máquina excitada, el devanado del estator inducirá una fuerza electromotriz alterna, cuya
forma de onda variará en función de su frecuencia de rotación.
A continuación vamos a ver cómo podemos calcular la tensión en bornes de una máquina síncrona.
Circuito equivalente de la máquina síncrona funcionando como alternador.
Toda máquina eléctrica va a estar bajo los efectos de una resistencia óhmica y de un flujo magnético, por lo
tanto vamos a ver cómo será esa tensión en bornes del alternador.
Pero recuerda que:
Por lo tanto llegamos a:
Tienes que saber que no se han tenido en cuenta las pérdidas mecánicas ni las pérdidas magnéticas. Este tipo
de pérdidas en las máquinas síncronas se obtienen con unos ensayos característicos que no son objetivo de
este curso.
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Imagen 3. Alternadores de central eléctrica.
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
Repasa como se obtiene la energía eléctrica en los diferentes tipos de centrales.
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4.3. Motor síncrono
El motor síncrono apenas se utiliza, es por este motivo por el que nos vamos a centrar en dar algunas nociones
pero sólo en cuanto al motor monofásico, debido a que el estudio del motor síncrono trifásico es de una gran
complejidad, lejos de los objetivos de este curso.
Como ya has podido leer en la introducción, los motores de corriente alterna monofásicos los vamos a utilizar
cuando la potencia requerida es pequeña o bien cuando o cuando el factor de potencia o el rendimiento no son
factores muy importantes.
Un motor monofásico tiene un solo bobinado en el estator, lo que hace que la corriente genere un flujo de
dirección constante, lo que va a provocar que el motor no pueda girar por sí solo.
Un motor síncrono monofásico no puede arrancar por sí solo. No tiene par de arranque.
Cuando conseguimos por algún método que el motor arranque, al comenzar a girar se generarán unas fuerzas
electromotrices en sus conductores que generarán, según la regla de la mano derecha que ya estudiaste en
una unidad anterior, un flujo magnético perpendicular al flujo principal creado en el estator y esto provocará que
el rotor continúe en movimiento.
De esto se deduce que para que un motor monofásico arranque vamos a necesitar algún dispositivo auxiliar
que permita ponerlo en funcionamiento.
Arranque por motor auxiliar
Este método consiste en hacer girar el motor síncrono con la ayuda de un motor de corriente continua hasta
que alcance (o se aproxime mucho) a la velocidad síncrona, momento en el que se acoplará a la red eléctrica y
desconectaremos el motor auxiliar.
Circuito equivalente de una máquina síncrona funcionando como motor
Antes has visto el circuito equivalente funcionando como alternador, ahora vas a ver que funcionando como
motor existe una variación.
Donde obtenemos que:
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Date cuenta que el signo, trabajando como alternador o como motor varía.
Rellena los huecos en blanco:
El arranque por motor auxiliar consiste en hacer
de corriente
el motor síncrono con la ayuda de un motor
hasta que alcance (o se aproxime mucho) a la velocidad
, momento en el que se acoplará a la red eléctrica y
el motor auxiliar.
Comprobar
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4.4. Alternador asíncrono
Como ya te adelantamos en la introducción, las máquinas asíncronas pueden funcionar también como
generadores, lo que ocurre es que tienen algunos problemas que hacen que su uso sea muy limitado. Estos
problemas son los siguientes:
Imposibilidad de generar potencia reactiva.
No es una máquina autoexcitable, es decir necesita de que otras máquinas le proporcionen corriente
magnetizante.
Debido a estos dos problemas el uso de los generadores asíncronos queda limitado. No obstante, al no exigir la
sincronización con la red y puesto que son máquinas muy robustas y economicas, en algunos casos su uso
queda justificado.
Dada la complejidad de estas máquinas y su escasa utilización no vamos a profundizar en ellas.
Si quieres saber mas sobre generadores asíncronos o de inducción aqui te dejo un enlace donde podrás
profundizar, pero recuerda que no es objetivo de este curso.
Generadores asíncronos o de inducción
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4.5. Motor asíncrono
Motor asíncrono
El motor asíncrono trifásico podemos decir que es el motor más utilizado en la industria, sobre todo por su
robustez y sencillez de funcionamiento.
El motor asíncrono tiene muchas similitudes con los motores de corriente continua. Como cualquier máquina
rotativa consta de dos partes:
a. Rotor: Es la parte móvil del motor, está formada por láminas magnéticas formando una corona rotórica
en la cual encajaremos el devanado rotórico. El rotor puede ser de dos tipos:
En jaula de ardilla.
Rotor bobinado.
b. Estator: Es la parte fija de la máquina, formado por una serie de láminas aisladas entre sí. En el estator
se coloca un devanado que tiene que tener el mismo número de fases que la red a la que está
conectada.
Motor de jaula de ardilla
El rotor está constituido por una serie de barras dispuestas en las ranuras de la corona rotórica, unidas en sus
extremos a dos anillos. El par de arranque es pequeño y la intensidad que absorben es elevada.
Imagen 4. Rotor de jaula de ardilla.
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
Motor de rotor bobinado
En las ranuras de la corona rotórica se insertan los devanados unidos por un punto común. Este tipo de motor
tiene unos anillos de cobre, denominados "anillos rozantes" que giran con el eje haciendo contacto entre éste y
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unas escobillas que van a permitir conectar los devanados rotóricos con el exterior.
Imagen 5. Rotor de jaula de ardilla.
Fuente: Guindo
Creative Commons
A continuación puedes ver un video en el cual se explica la constitución de un motor asíncrono:
Video 2. Constitución de un motor asincrono.
Fuente: Youtube
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4.5.1. Funcionamiento del motor asíncrono
Cuando estudiaste en este mismo tema el funcionamiento de la máquina síncrona acuérdate que hablamos de
la velocidad de sincronismo, pues bien, un motor asíncrono se va a caracterizar por tener una velocidad un
poco inferior a la síncrona.
Vamos a ver como se origina un campo giratorio. En el estator vamos a tener tres devanados desfasados 120º,
las máquinas síncronas tienen una caja de bornes que nos va a permitir conectar los devanados en estrella o
en triángulo, tal y como puedes ver en la figura siguiente:
Imagen 6. Conexionado de un motor.
Elaboración propia
La evolución de las ondas con el tiempo va a ser la siguiente:
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Imagen 7. Ondas trifásicas.
Elaboración propia creada con Graph
Puedes observar como en los instantes 1, 2, 3, 4, 5 las corrientes que atraviesan las fases van cambiando de
sentido, con lo que conseguiremos que el campo magnético vaya girando 1/12 de vuelta en cada intervalo de
tiempo. Como hemos dicho al principio, el motor asíncrono se va a caracterizar por tener una velocidad inferior
a la síncrona. Te preguntarás a que es debido, pues bien:
Recordarás que la Ley de Lenz decía: " el sentido de la corriente inducida es tal que se opone a la causa que lo
produce" y como el bobinado del rotor es un circuito cerrado van a aparecer unas corrientes que harán que el
rotor tienda a girar en sentido contrario, con lo que la velocidad del rotor será inferior a la de sincronismo.
Esa diferencia entre la velocidad de giro del motor asíncrono y la velocidad síncrona se va a denominar
deslizamiento que vendrá dado por la siguiente fórmula:
Donde
: es la velocidad de sincronismo.
: es la velocidad de giro del rotor.
¿Como invertirías el sentido de giro de un motor?
Si la velocidad del rotor fuera mayor que la de sincronismo, el motor funcionaría como generador.
Sabemos que un motor asíncrono de 2 pares de polos conectado a una frecuencia de 50 Hz gira a una
velocidad de 1.450 r.p.m.
¿Cuál es el valor del deslizamiento?
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4.5.2. Balance de potencias. Rendimiento
Balance de potencias
Ya sabes que la potencia eléctrica viene determinada por la siguiente expresión:
Pero si la máquina que tenemos es polifásica ocurre que la fórmula de la potencia va a ser:
Donde
va a ser el número de fases.
Ahora bien, en temas anteriores has estudiado que cualquier elemento conectado a la red eléctrica tiene unas
pérdidas debidas al efecto Joule, estas pérdidas las vamos a denominar pérdidas en el cobre, así pues en el
devanado estatórico tendremos que:
Donde
es la corriente que circula por el estator y
la resistencia del devanado estatórico.
Teniendo en cuenta estas pérdidas en el estator llegamos a que la potencia disponible para crear un campo
magnético va a ser:
También tenemos que tener en cuenta las pérdidas en el núcleo de hierro debido a la histéresis y a las
corrientes de Foucault, por lo tanto la potencia que atraviesa el entrehierro será:
Hasta ahora hemos visto las pérdidas en el estator y en el hierro, aun nos faltan por ver las pérdidas en el cobre
del rotor debidas también al efecto Joule.
Por tanto la potencia mecánica en el rotor será:
Por último tenemos que añadir unas pérdidas que si bien no son originadas por la corriente o por el campo
magnético también tienen que ser tenidas en cuenta, estas son las pérdidas mecánicas por rozamiento de las
partes móviles de la máquina.
Una vez restadas todas las pérdidas de potencia vamos a llegar a la potencia útil, que será la que realmente
vamos a aprovechar:
Con el siguiente esquema te quedará más claro el balance de potencias:
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Imagen 8: Balance de potencias.
Elaboración propia creada con paint
Rendimiento
El rendimiento va a ser la relación entre la potencia útil y la potencia teórica que puede dar la máquina, así
pues:
Cuál será el rendimiento de un motor conectado a una tensión de 380 V y 50Hz de frecuencia que
mueve un par resistente de 30 N*m a una velocidad de 1450 r.p.m. Si el factor de potencia es de 0,85 y
la intensidad de línea que consume el motor es de 15 A.
Tienes que recordar de temas anteriores la relación existente entre el par y la velocidad del motor.
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4.5.3. Arranque de motores asíncronos
Cuando arrancamos un motor asíncrono necesitamos una gran corriente que puede hacer que los usuarios
conectados a esa misma línea noten una caída de tensión que pueda alterar el normal funcionamiento de sus
equipos eléctricos.
Esto es debido a que los motores asíncronos tienen un elevado par de arranque, para evitar el aumento de la
corriente se utilizan diferentes métodos de arranque.
En el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (RBT) viene recogida la corriente de arranque de los
motores trifásicos según su potencia:
De 0,75 Kw a 1,5Kw inferior a 4,5 veces la intensidad nominal.
De 1,5 Kw a 5 Kw inferior a 3 veces la intensidad nominal.
De 5 Kw a 15 Kw inferior a 2 veces la intensidad nominal.
Más de 15 Kw inferior a 1,5 veces la intensidad nominal.
Recuerda: Que la intensidad nominal es la corriente necesaria para que un equipo funcione en
condiciones optimas de rendimiento.
Arranque con impedancia en el estator
Lo que pretendemos añadiendo una impedancia al estator es limitar la tensión en los bornes del estator de la
máquina. En el primer momento del arranque tenemos todas las resistencias, posteriormente vamos
desconectándolas todas poco a poco. El esquema sería el de la figura siguiente.
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Imagen 9. Arranque con impedancia en el estator.
Elaboración propia con paint
Arranque por autotransformador
Mediante un autotransformador colocado entre la línea y el motor limitamos la tensión e iremos incrementándola
poco a poco.
Imagen 10. Elaboración propia
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Arranque estrella-triángulo
Lógicamente este tipo de arranque sólo se puede hacer en motores cuya caja de bornes esté accesible.
Primero se arranca con conexión estrella para que la tensión en bornes sea la de fase y posteriormente
pasamos a conexión triángulo para que la tensión sea de línea.
Arranque con resistencia en el rotor
En este caso las resistencias se colocan en el rotor y se van eliminando a medida que el motor va arrancando.
Imagen 11. Elaboración propia creada con paint
Arranque con dispositivos electrónicos
En la actualidad la opción más habitual es emplear dispositivos electrónicos para lograr arranques a intensidad
reducida. Una opción es utilizar los llamados arrancadores suaves que van aumentado la tensión de manera
gradual y manteniendo la intensidad. Una segunda posibilidad es utilizar variadores de frecuencia que
permiten arrancar el motor incrementando gradualmente la frecuencia de alimentación al motor. Esta opción
permite además controlar la velocidad del motor.
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4.5.4. Motor asíncrono monofásico
Existen multitud de casos en que debido a la poca potencia que necesitamos o por no necesitar un factor de
potencia elevado recurrimos a motores monofásicos.
El motor monofásico dispone de un bobinado en el estator de una sola fase que crea un flujo alterno pero de
dirección constante, esto supone que el rotor no pueda girar por sí solo.
El motor monofásico asíncrono no dispone de par de arranque.
Si conseguimos, por algún método, que el rotor comience a girar se generan una fuerzas electromotrices que
permitirán que el rotor gire por si solo.
Para conseguir arrancar el motor tenemos varios métodos pero el que veremos a continuación es el más
utilizado.
Bobinado auxiliar de arranque:
Lo que conseguimos es tener durante un instante un motor bifásico con lo que el motor principal ya podrá
arrancar, una vez arrancado se desconecta este bobinado auxiliar. Si además conectamos un condensador en
serie incrementaremos el desfase, con lo que facilitaremos el arranque.
Para terminar el tema vamos hacer una pequeña reseña a los motores universales que son aquellos que se
pueden conectar a una corriente continua como a una corriente alterna monofásica.
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