INTRODUCCION

Una máquina eléctrica es un dispositivo que transforma la energia cinetica en otra energía, o bien, en energía potencial pero con una presentación distinta, pasando esta energía por una etapa de almacenamiento en un campo magnético. Se clasifican en tres grandes grupos: generadores, motores y transformadores.

Los generadores transforman energía mecánica en eléctrica, mientras que los motores transforman la energía eléctrica en mecánica haciendo girar un eje. El motor se puede clasificar en motor de corriente continua o motor de corriente alterna. Los transformadores y convertidores conservan la forma de la energía pero transforman sus características.

Una máquina eléctrica tiene un circuito magnético y dos circuitos eléctricos. Normalmente uno de los circuitos eléctricos se llama excitación, porque al ser recorrido por una corriente eléctrica produce los amperivueltas necesarios para crear el flujo establecido en el conjunto de la máquina.

Desde una visión mecánica, las máquinas eléctricas se pueden clasificar en rotativas y estáticas. Las máquinas rotativas están provistas de partes giratorias, como las dinamos, alternadores, motores. Las máquinas estáticas no disponen de partes móviles, como los transformadores.

En las máquinas rotativas hay una parte fija llamada estátor y una parte móvil llamada rotor. Normalmente el rotor gira en el interior del estátor. Al espacio de aire existente entre ambos se le denomina entrehierro. Los motores y generadores electricos son el ejemplo mas simple de una maquina rotativa.

MAQUINAS ELÉCTRICAS

Entendemos por máquinas eléctricas los mecanismos destinados a producir energía eléctrica, aprovecharla o modificar algunade sus magnitudes.

Una forma práctica de clasificar las máquinas eléctricas consiste en diferenciarlasen dos clases, máquinas rotativas y máquinas estáticas, segúncontengan o no ciertas partes giratorias.

Máquinas eléctricas

Máquinas rotativas. Están provistas de partes giratorias.

Generadores. Transforman la energía mecánica en energía eléctrica. Los generadores de cc se llaman dinamos y los de ca, alternadores

Motores. Transforman la energía eléctrica en energía mecánica. Los hay de cc y ca.

Máquinas estáticas. Están desprovistas de partes móviles.

Transformadores. Modifican las características de la energía eléctrica con el fin de dotarla de las condiciones apropiadas para su transporte o su utilización inmediata.

Las máquinas eléctricas basan su funcionamiento en dos fenómenos físicosque analizamos en la unidad 4: la inducción electromagnética y laproducción de fuerzas sobre conductores eléctricos en presencia de camposmagnéticos.

Los generadores se emplean para producir corriente eléctrica, mientrasque los motores son utilizados para muchas aplicaciones distintas: taladradoras,bombas, ascensores, ventiladores...Por otra parte, los transformadores se usan para elevar o reducir la tensiónde la corriente eléctrica y así adaptarla a las necesidades de transporte, distribucióny consumo en los distintos aparatos eléctricos o electrónicos.

MOTORES Y GENERADORES ELECTRICOS DE CORRIENTE CONTINUA (C.C)

MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA (C.C)

Un motor elemental de cc dispone de una espira conductora rectangular, por la que circula una corriente eléctrica,

situada en el seno de un campo magnético uniforme. Éste ejerce sobre la espira un par de fuerzas electromagnéticasque la hacen girar produciendo un trabajo mecánico.

Sus partes elementales y funcionales son:

Estator: Formado por una corona de material ferromagnético denominada culata o yugo en cuyo interior, regularmente distribuidos y en número par, van dispuestos unos salientes radiales con una expansión en su extremo, denominados polos, sujetos por tornillos a la culata. Rodeando los polos, se hallan unas bobinas de hilo, o pletina de cobre aislado, cuya misión es, al ser alimentadas por corriente continua, crear el campo magnético inductor de la máquina, el cual presentará alternativamente polaridades norte y sur. Salvo las máquinas de potencia reducida, en general de menos de 1 kW, encontramos también en el estator, alternando los polos antes citados, otros llamados polos  de conmutación.

Rotor: Formado por una columna de material ferromagnético, a base de chapas de hierro, aisladas unas de las otras por una capa de barniz o de óxido.  La corona de chapa magnética presenta en su superficie externa un ranurado donde se aloja el devanado inducido de la máquina. Este devanado esta constituido por bobinas de hilo o de pletina de cobre convenientemente aislados, cerrado sobre si mismo al conectar el final de la última bobina con el principio de la primera.

Colector: Constituido esencialmente por piezas planas de cobre duro de sección trapezoidal, llamadas delgas, separadas y aisladas unas de otras por delgadas láminas de mica, formando el conjunto un tubo cilíndrico aprisionado fuertemente. El colector tiene tantas delgas como bobinas posee el devanado inducido de la máquina.

Escobillas: dispuestas en los portaescobillas, de bronce o latón, que retienen las escobillas que establecerán el enlace eléctrico entre las delgas y el colector y el circuito de corriente continua exterior.

 

 

Cuando el rotor gira, los conductores del inducido cortan las líneas de fuerza del campo magnético y se induce en ellos una fem. Su sentido es talque, de acuerdo con la ley de Lenz, se opone a la causa que la genera, es decir, a la corriente del inducido y a la de excitación de las bobinas inductoras, responsables del giro del rotor. Por ello, esta fem recibe el nombrede fuerza contraelectromotriz, fcem.

La fem inducida en un conductor rectilíneo de longitud L que se mueve a una velocidad V, cuya

dirección forma un  ángulo a con la dirección del campo magnético de inducción uniforme B, en cuyo

interior se mueve cortando sus líneas de fuerza, tiene por valor:

  E = B L V sen a

Si las tres magnitudes son perpendiculares, entonces el valor de la fem es:

 

Esta fórmula también se puede poner en la forma:

Se genera una fem E mientras el conductor se mueve, cortando las líneas de fuerza del campo magnético:

E = B L V

De acuerdo a lo anterios se establece los siguientes criterios

Para describir los modos de funcionamiento de una máquina de c. c. se utiliza la representación en cuatro cuadrantes representada en la figura de debajo. En el eje de abscisas se representa el par electromagnético C que también sirve para representar la corriente del inducido I (C = K F I). En el eje de ordenadas se representa la velocidad N, que tambiés sirve para representar la fem/fcem E (E = K N F) y también, aproximadamente, la tensión U (U = E ± Ri I)

EL GENERADOR DE C.C. O LA DINAMO

En nuestra clasificación de las máquinas eléctricas, las dinamos se han definido como máquinas rotatorias generadoras de corriente continua.

A continuación, observaremos el funcionamiento de la dinamo elemental, la dinamo real, sus tipos y los ensayos que pueden llevarse a cabo sobre ella.

Los componentes fundamentales de un generador electromagnético elementaly, por tanto, también de la dinamo, son el inductor y el inducido.

El generador elemental está constituido por una espira de alambre colocada de manera que pueda girar dentro de un campo magnético fijo y que produzca una tensión inducida en la espira. Para conectar la espira al circuito exterior y aprovechar la f.e.m. inducida seutilizan contactos deslizantes.

Las piezas polares son los polos norte y sur del imán que suministran el campo magnético. La espira de alambre que gira a través del campo magnético se llama inducido o armadura. Los cilindros a los cuales están conectados los extremos del inducido se denominan "anillos rozantes" o de contacto, los cuales giran a la vez que el inducido.

Unas escobillas van rozando los anillos de contacto para recoger la electricidad producidaen la armadura y transportarla al circuito exterior.

Al describir la acción del generador, veremos la manera en que la espira va girando a través del campo magnético cuando los costados de la espira atraviesan el campo magnético, generan una fuerza electromotriz inducida que produce un flujo de corriente enla espira, en los anillos de contacto, en las escobillas en el instrumento de medición y en la resistencia de carga, todos conectados en serie. La fuerza electromotriz inducida que se produce en las espiras, y por lo tanto la corriente que fluye, dependen de la posición en que se encuentra la espira en relación con el campo magnético.

Los generadores de corriente continua funcionan parecido a los motores de corriente continua. En general, los motores de corriente continua son similares en su construcción a los generadores. De hecho podrían describirse como generadores que funcionan al revés. Los generadores son máquinas que convierten la energía mecánica en eléctrica se le denomina también alternador o dínamo.

Su funcionamiento constituye una aplicación directa del la ley de inducción de Faraday. En forma esquemática El generador está construido a partir de una bobina que gira en el campo magnético. De esta manera, una fuerza electromotriz se establece sobre la bobina como consecuencia de las variaciones

del flujo mientras que gira.

Al lado izquierdo se muestra cómo funciona el generador, usando una espira que gira en el campo magnético de un imán permanente. Los lados de la espira son pintados con diferentes colores para poder distinguirlos cuando la espira gira. Aplicando la ley de Faraday, y con la ayuda de la ley de Lenz, se puede entender que en los extremos de la espira se induce una

f.e.m. cuya amplitud y signo cambia según gira la espira. Lo que queda claro es que el

alambre que queda a la derecha será siempre el lado positivo.

Para aprovechar la fem así generada debe implementarse unos contactos móviles que

conmutan automáticamente los terminales de la bobina mientras que ésta gira. Esta parte de del generador recibe el nombre de conmutador, y está formado por unas pistas de cobre llamadas delgas, donde se conectan los extremos de la bobina, y las escobillas que recoge la f.e.m. de la bobina para entregarlas a los contactos externos o bornes del generador.

Lamentablemente, un generador como el de la ilustración tiene muchos inconvenientes. Para empezar, por tener una sola espira la tensión sería muy pequeña pero, más importante, la tensión generada tendría variaciones muy pronunciadas. Además, por tener un entrehierro muy grande, el campo magnético en el lugar donde gira la bobina sería menor que el disponible en los imanes. Por todas esas razones, el inducido del generador se construye usando muchas bobinas, cada una de las cuales tiene un número considerable de espiras y todas

ellas se arrollan sobre un núcleo de hierro como se muestra en la Figura.

Funcionamiento de sus partes

Un generador es una máquina eléctrica que produce energía eléctrica en forma de corriente continua aprovechando el fenómeno de inducción electromagnética. Para ello está dotada de un armazón fijo (estator) encargado de crear el campo magnético en cuyo interior gira un cilindro (rotor) donde se crearán las fuerzas electromotrices inducidas.

Estator

Consta de un electroimán encargado de crear el campo magnético fijo conocido por el nombre de inductor.

Rotor

Es un cilindro donde se enrollan bobinas de cobre, que se hace girar a una cierta velocidad cortando el flujo inductor y que se conoce como inducido.

 

Durante un semiperiodo se obtiene la misma tensión alterna pero, en el semiperiodo siguiente, se invierte la conexión convirtiendo el semiciclo negativo en positivo.

El inducido suele tener muchas más espiras y el anillo colector está dividido en un mayor número de partes o delgas, aisladas entre sí, formando lo que se denomina el colector.

Las escobillas son de grafito o carbón puro montado sobre portaescobillas que mediante un resorte aseguran un buen contacto.

Al aumentar el número de delgas, la tensión obtenida tiene menor ondulación acercándose más a la tensión

continua que se desea obtener.

Los generadores de corriente continua funcionan normalmente a voltajes bastante bajos para evitar las chispas que se producen entre las escobillas y el conmutador a voltajes altos. El potencial más alto desarrollado para este tipo de generadores suele ser de 1.500 V. En algunas máquinas más modernas esta inversión se realiza usando aparatos de potencia electrónica, como por ejemplo rectificadores de diodo.

Tipos de generadores de corriente continua y como funcionan

Los generadores de corriente continua se clasifican según el método que usan para proporcionar corriente de campo que excite los imanes del mismo. Un generador de excitado en serie tiene su campo en serie respecto a la armadura. Un generador de excitado en derivación, tiene su campo conectado en paralelo a la armadura. Un generador de excitado combinado tiene parte de sus campos conectados en serie y parte en paralelo. Los dos últimos tipos de generadores tienen la ventaja de suministrar un voltaje relativamente constante, bajo cargas eléctricas variables. El de excitado en serie se usa sobre todo para suministrar una corriente constante a voltaje variable. Un magneto es un generador pequeño de corriente continua con un campo magnético permanente.

Piezas mínimas de un generador de cc

Carcasa: a la carcasa se le llama a veces bastidor principal. Es el cimiento de la máquina y sostiene a todos los otros componentes. Además sirve para completar el campo magnético entre las piezas polares.

Piezas polares: Las piezas polares están formadas por muchas capas delgadas de hierroo acero, unidas entre sí y sujetas por dentro de la carcasa. Estas piezas polares sostienenlas bobinas de campo y están diseñadas para producir un campo concentrado. Lalaminación de los polos se debe a que evitan las corrientes parásitas.Bobinados de campo: Los bobinados de campo, cuando están montados sobre las piezas polares, forman electroimanes que suministran el campo magnético necesario para el funcionamiento de la dínamo. A los bobinados y piezas polares se les llama a menudo campos. Los bobinados son bobinas de alambre aislado que ha sido arrollado de manera que encaje en forma ajustada en las piezas polares. La corriente que circula por las bobinas produce el campo magnético. Las dinamos pueden tener dos polos o varios pares de polos. Cualquiera que sea el número polos, los alternos siempre tendrán polaridad contraria.

Casquetes: los casquetes están montados en los extremos del bastidor principal ycontienen los cojinetes de la armadura. El casquete posterior suele sostener el cojinete solo mientras el anterior sostiene el juego de escobillas.

Portaescobillas: Este componente consiste en una pieza de material aislante, sostiene las escobillas y sus conductores respectivos. Los portaescobillas vienen asegurados con grapas al casquete delantero. En algunas dínamos los portaescobillas pueden hacerse girar alrededor del árbol para su ajuste.

Inducido: Prácticamente en todas las dínamos de c.c. el inducido gira entre los polos delestator. El inducido está. formado por el eje, núcleo, bobinas y colector. El núcleo delinducido es laminado y tiene unas ranuras para alojar las bobinas. El colector esta hechocon trozos de cobre aislado entre sí y con respecto al eje estos trozos de cobre, llamadosdelgas, están asegurados con anillos de retención para impedir que patinen debido a lafuerza centrífuga, en los extremos de la delgas hay unas pequeñas ranuras a las cualesse sueldan las bobinas del inducido. El árbol o eje sostiene el conjunto del inducido y giraapoyado en los cojinetes de los casquetesEntre el inducido y las piezas polares existe un pequeño espacio llamado entrehierro paraevitar el rozamiento entre esas partes durante la rotación el entrehierro siempre espequeño, para que la fuerza del campo sea máxima.Escobillas: Las escobillas rozan sobre el colector y transportan la tensión generada a lacarga. Las escobillas suelen estar elaboradas de grafito duro y son mantenidas enposición por el portaescobillas. La escobillas puedan subir y bajar dentro de losportaescobillas para seguir las irregularidades de su superficie del colector. Un conductorflexible llamado chicote conecta las escobilla. con el circuito externo.

Núcleo laminado: Para evitar las corrientes parásitas, los núcleos en los motores estánhechos con láminas metálicas superpuestas.

MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA ASINCRONICOS O DE INDUCCION

Como ocurre en los motores DC, la corriente circula por la espira, genera un par en el bobinado. Dado que la corriente es alterna, el motor girará suavemente a la frecuencia de la forma senoidal, denominándose motor asíncrono.

El más común es el Motor de Inducción, donde la corriente eléctrica es inducida en los bobinados del rotor, mas que alimentada directamente.

El campo magnético es producido por un electroimán accionado por el mismo voltaje de C.A. como en el rotor. Los bobinados que producen el campo magnético se llaman tradicionalmente los "bobinados de campo" mientras los bobinados y el rotor que gira se llaman la "armadura". En un motor de C.A. el campo magnético varia sinusoidalmente, tal y como la corriente varíe en el bobinado.

Estos motores tienen la peculiaridad de que no precisan de un campo magnético en el rotor alimentado con corriente continua como en los casos del motor de corriente directa o del motor síncrono.

Una fuente de corriente alterna (trifásica o monofásica)

alimenta al estator.

El estator está constituido por un núcleo en cuyo interior existen p pares de arrollamientos colocados simétricamente en un ángulo de 120º. Son sometidos a una C.A. y los polos del estator se trasladan continuamente creando un campo giratorio.

Cuando las corrientes trifásicas son aplicadas a los bobinados, el campo magnético gira a una velocidad constante y hace que el rotor gire

Cuando las corrientes trifásicas son aplicadas a los bobinados, el campo magnético gira a una velocidad constante y hace que el rotor gire

La densidad de flujo distribuida sinusoidalmente, generada por las corrientes del estator, realizan un barrido en los conductores del rotor y generan una tensión inducida en ellos.

El resultado es un conjunto de corrientes distribuidas sinusoidalmente en las barras cortocircuitadas del rotor.

Si miramos las barras del rotor desde arriba tenemos un campo magnético moviéndose respecto al rotor. Esto induce una corriente muy elevada en las barras del rotor, que apenas ofrecen resistencia, pues están cortocircuitadas por los anillos finales.El rotor desarrolla entonces sus propios polos magnéticos, que se ven, por turnos, arrastrados por el campo magnético giratorio del estator.

Corrientes y fuerzas inducidas en la jaula

El campo magnético giratorio origina un flujo que induce corrientes en el rotor que interactúan con el campo magnético del estator. En cada conductor se produce una fuerza F=ilB que da lugar al par del motor.

La velocidad del motor es igual a

Velocidad del flujo en el entrehierro

Deslizamiento: diferencia entre la velocidad de sincronismo y la velocidad de giro

n is in rev/minute,

and w is in radians/second

60

n2w

La velocidad del motor para máxima carga es

El rotor intenta seguir en su movimiento al campo magnético B girando a velocidad w. La velocidad de giro w solo es igual aproximadamente ws cuando el motor está en vacío, es decir, sin carga en el eje (no realiza par). A medida que cargamos el motor, o sea, a medida que le exigimos más par en el eje, el motor disminuirá su velocidad girando entonces a una velocidad angular w<ws.

Por otra parte la velocidad angular ws depende de la frecuencia de la red que alimenta al motor y de la forma en que está bobinado el estator. Según como se realiza el mismo tendremos motores de 1par de polos, de 2, de 3, etc. Tenemos que:

Las bobinas del estator induce corriente alterna en el circuito eléctrico del rotor (de manera algo similar a un transformador) y el rotor es obligado a girar.

a

b

ci

i

i

Stator coil

Rotor coils

De acuerdo a la forma de construcción del rotor, los motores asincrónicos deacuerdo a su rotor se clasifican en:

Motor Asincrónico tipo Jaula de Ardilla

Este es el rotor que hace que el generador asíncrono sea diferente del generador síncrono. El rotor consta de un cierto número de barras de cobre o de aluminio, conectadas eléctricamente por anillos de aluminio finales

Motor Asincrónico de Rotor Bobinado

El motor de jaula de ardilla tiene el inconveniente de que la resistencia del conjunto es invariable, no son adecuados cuando se debe regular la velocidad durante la marcha

GENERADOR DE CORRIENTE ALTERNA ASINCRONICO

Si hacemos girar el rotor de forma manual a una velocidad superior a la velocidad síncrona del generador, en ese caso el rotor se mueve más rápidamente que el campo magnético giratorio del estator, lo que significa que, una vez más, el estator inducirá una gran corriente en el rotor. Cuanto más rápidamente hagamos girar el rotor, mayor será la potencia transferida al estator en forma de fuerza electromagnética, y posteriormente convertida en electricidad suministrada a la red eléctrica

Partimos de la base de que si un conductor eléctrico corta las líneas de fuerza de un campo magnético, se origina en dicho conductor una corriente eléctrica. La generación de corriente trifásica tiene lugar en los alternadores, en relación con un movimiento giratorio. Según este principio, existen tres arrollamientos iguales independientes entre sí, dispuestos de modo que se encuentran desplazados entre sí 120°. Según el principio, de la inducción, al dar vueltas el motor (imanes polares con devanado de excitación en la parte giratoria) se generan en los arrollamientos tensiones alternas senoidales y respectivamente corrientes alternas, desfasadas también 120° entre sí, por lo cual quedan desfasadas igualmente en cuanto a tiempo. De esa forma tiene lugar un ciclo que se repite constantemente, produciendo la corriente alterna trifásica.

Todos los generadores trifásicos utilizan un campo magnético giratorio. En el dibujo hemos instalado tres electroimanes alrededor de un círculo. Cada uno de

los tres imanes está conectado a su propia fase en la red eléctrica trifásica. Como puede ver, cada electroimán produce alternativamente un polo norte y un polo sur hacia el centro.

Las letras están en negro cuando el magnetismo es fuerte, y en gris claro cuando es débil. La fluctuación en el magnetismo corresponde exactamente a la fluctuación en la tensión de cada fase. Cuando una de las fases alcanza su máximo, la corriente en las otras dos está circulando en sentido opuesto y a la mitad de tensión. Dado que la duración de la corriente en cada imán es un tercio de la de un ciclo aislado, el campo magnético dará una vuelta completa por ciclo.

Aunque las tres corrientes son de igual frecuencia e intensidad, la suma de los valores instantáneos de las fuerzas electromotrices de las tres fases, es en cada momento igual a cero, lo mismo que la suma de los valores instantáneos de cada una de las fases, en cada instante, como podemos ver en la siguiente figura

Aquí mostramos las tres fases, ya desfasadas sobre un mismo eje a 120º. La línea negra del grafico representa la corriente de distinta polaridad, es decir, en este caso el negativo de la fase 1, corriente opuesta a las fases 2 y 3 que son por su naturaleza de polaridad positiva.

Una máquina eléctrica rotativa está compuesta de los siguientes partes:

 Un circuito magnético

-        Estator. Parte fija.

-        Rotor. Parte móvil que gira dentro del estator.

-        Entrehierro. Espacio de aire que separa el estator del rotor y que permite que pueda existir movimiento. Debe ser lo más reducido posible.

  Dos circuitos eléctricos, uno en el rotor y otro en el estator.

-        Arrollamiento o devanado de excitación o inductor. Uno de los devanados, al ser recorrido por una corriente eléctrica produce una fuerza magnetomotriz que crea un flujo magnético.

-        Inducido. El otro devanado, en el que se induce una f.e.m. que da lugar a un par motor (si se trata de un motor) o en el que se induce una f.c.e.m. que da lugar a un par resistente (si se trata de un generador).

El rotor, es la parte móvil giratoria que se localiza en el interior del estator. Está hecho a base de placas apiladas y montado sobre el eje del motor. Dispone de unas ranuras donde van colocados los conductores que forman la bobina de inducido que están cerrados sobre sí mismos constituyendo un circuito cerrado. Al ser afectados los conductores por un campo magnético variable se generan en ellos f.e.m. que dan lugar a corrientes eléctricas. Al circular las corrientes

eléctricas por unos conductores dentro de un campo magnético, aparecen fuerzas que obligan al rotor a moverse siguiendo al campo magnético.

Desde el punto de vista constructivo se pueden distinguir dos formas típicas de rotor:

§         Rotor de jaula de ardilla . Está constituido por barras de cobre o de aluminio y unidas en sus extremos a dos anillos del mismo material.

§         Rotor bobinado o de anillos rozantes . El rotor está constituido por tres devanados de hilo de cobre conectados en un punto común. Los extremos pueden estar conectados a tres anillos de cobre que giran solidariamente con el eje (anillos rozantes). Haciendo contacto con estos tres anillos se encuentran unas escobillas que permiten conectar a estos devanados unas resistencias que permiten regular la velocidad de giro del motor. Son más caros y necesitan un mayor mantenimiento.

Un componente clave del generador asíncrono es el rotor de jaula. (Solía llamarse rotor de jaula de ardilla.

Este es el rotor que hace que el generador asíncrono sea diferente del generador síncrono. El rotor consta de un cierto número de barras de cobre o de aluminio, conectadas eléctricamente por anillos de aluminio finales.

Escobillas o Carbones

Las escobillas están fabricadas de carbón prensado y calentado a una temperatura de 1200°C.

Se apoyan rozando contra el colector gracias a la acción de unos resortes, que se incluyen para hacer que la escobilla esté rozando continuamente contra el colector. El material con que están fabricadas las escobillas producen un roce suave equivalente a una lubricación.

Porta Carbones

Son elementos que sujetan y canalizan el movimiento de los carbones. Los se deslizan libremente en su caja siendo obligadas a apoyarse sobre el colector por medio de un resorte que carga al carbón con una tensión determinada.

MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA SINCRONOS

MOTOR SINCRONICO DE CORRIENTE ALTERNA (A.C.)

Los motores síncronos son un tipo de motor eléctrico de corriente alterna. Su velocidad de giro es constante y depende de la frecuencia de la tensión de la red eléctrica a la que esté conectado y por el número de pares de polos del motor, siendo conocida esa velocidad como "velocidad de sincronismo".

La expresión matemática que relaciona la velocidad de la máquina con los parámetros mencionados es:

donde:

f: Frecuencia de la red a la que está conectada la máquina (Hz) P: Número de pares de polos que tiene la máquina

p: Número de polos que tiene la máquina

n: Velocidad de sincronismo de la máquina (revoluciones por minuto)

Por ejemplo, si se tiene una máquina de cuatro polos (2 pares de polos) conectada a una red de 50 Hz, la máquina operará a 1.500 r.p.m.

Si un rotor girando que esta magnetizado de manera permanente en la dirección transversa esta puesto a dentro del estator, sera arrastrado por atracción magnética a la velocidad a la que está girando el campo. Esta se llama la velocidad síncrona y el ensamblado es un motor síncronoSu velocidad está exactamente síncrona con la frecuencia de línea. Pequeños motores síncronos se encuentran en relojes eléctricos para asegurar una medición de tiempo precisa, pero también en la industria se usan los motores síncronos. En grandes motores síncronos industriales el rotor es un electroimán y esta excitado por la corriente directra.

Una característica del motor síncrono es que si el rotor es "sobreexcitado", esto es , si el campo magnético es superior a un cierto valor, el motor se comporta como un capacitor a través de la línea de poder. Esto puede ser útil para la corrección

del factor de fuerza en plantas industriales que usan muchos motores de inducción.

Los motores síncronos tienen las siguientes ventajas:

La velocidad es independiente de la carga, con tal que se aplique una corriente de campo adecuada.

Control exacto en velocidad y posición usando controles del lazo abierto, eg. motores de pasos.

Llevarán a cabo su posición cuando una corriente de la C.C. se aplica al estator y a las bobinas del rotor.

Su factor de la energía puede ser ajustado a la unidad usando una corriente de campo apropiada concerniente a la carga. También, un factor “capacitivo” de la energía, (la fase actual conduce fase del voltaje), puede ser obtenido aumentando esta corriente levemente, que puede ayudar a alcanzar un mejor corrección de factor de energía para la instalación entera.

Su construcción permite eficacia eléctrica creciente cuando se requiere un de poca velocidad (como adentro molinos de la bola y aparato similar).

GENERADOR ALTERNO SINCRONICO (A.C.)

Todos los generadores trifásicos utilizan un campo magnético giratorio. En el dibujo de la izquierda hemos instalado tres electroimanes alrededor de un círculo. Cada uno de los tres imanes está conectado a su propia fase en la red eléctrica trifásica. Como puede ver, cada electroimán produce alternativamente un polo norte y un polo sur hacia el centro. Las letras están en negro cuando el magnetismo es fuerte, y en gris claro cuando es débil. La fluctuación en el magnetismo corresponde exactamente a la fluctuación en la tensión de cada fase. Cuando una de las fases alcanza su máximo, la corriente en las otras dos está circulando en sentido opuesto y a la mitad de tensión. Dado que la duración de la corriente en cada imán es un tercio de la de un ciclo aislado, el campo magnético dará una vuelta completa por ciclo.

Operación de un generador síncrono Si empieza a forzar el imán para que gire (en lugar de dejar que la corriente de red lo mueva) descubrirá que trabaja como generador, devolviendo corriente alterna a la red (debería tener un imán más potente para producir mucha electricidad). Cuanta más fuerza (par torsor) le aplique, mayor electricidad producirá, aunque el generador seguirá girando a la misma velocidad, impuesta por la frecuencia de la red eléctrica. Puede desconectar completamente el generador de la red y construir su propia red eléctrica trifásica, enganchando bombillas a tres bobinas arrolladas a

electroimanes (recuerde el principio de inducción eléctrica/magnética del manual de referencia de este sitio web). Sin embargo, si desconecta su generador de la red principal tendrá que accionarlo a una velocidad de giro constante para que produzca corriente alterna a una frecuencia constante. Por lo tanto, con este tipo de generador, normalmente querrá usar una conexión indirecta a red del generador. En la práctica, los generadores síncronos de imán permanente no son muy usados. Hay varias razones para que así sea. Una ellas es que los imanes permanentes tienden a desmagnetizarse al trabajar en los potentes campos magnéticos en el interior de un generador. Otra de las razones es que estos potentes imanes (fabricados a partir de tierras raras, como el neodimio) son bastante caros, a pesar de que los precios han disminuido últimamente. Turbinas eólicas con generadores síncronos Las turbinas eólicas que utilizan generadores síncronos suelen usar imanes en el rotor alimentados por corriente continua de la red eléctrica. Dado que la red suministra corriente alterna, hay que convertir la corriente alterna en corriente continua antes de enviarla a las bobinas arrolladas a los electroimanes del rotor. Los electroimanes del rotor están conectados a la corriente mediante escobillas y anillos rozantes en el árbol (eje) del generador.

La Figura muestra una máquina síncrona elemental de dos polos (operando como generador de corriente alterna). En la mayoría de los casos, el devanado inducido, está ubicado en el estator. El inductor se excita con corriente continua (C.C.) a través de contactos o “escobillas” de carbón apoyadas sobre “anillos rozantes”. Como el inductor es de menor potencia, es más práctico que esté ubicado en el rotor.

El devanado inducido está formado por N espiras, representada en la Figura por a y a’, alojadas en dos ranuras diametralmente opuestas practicadas en la parte interior del estator.

Los conductores que forman los laterales de esta bobina son paralelos al eje de la máquina y están conectados en serie. El rotor gira a velocidad uniforme en virtud de una potencia mecánica aplicada a su eje. La distribución radial de la densidad

de flujo en el entrehierro, es función de la posición del rotor. En las máquinas reales, puede conseguirse que la onda tenga una forma aproximadamente sinusoidal, perfilando adecuadamente las expansiones polares. Al girar el rotor, la onda de flujo barre los laterales de la bobina, induciéndose en ella una tensión que es función del tiempo.

El rotor mostrado en la Figura es de polos salientes con los devanados concentrados, mientras que el de la Figura anterior es de polos no salientes o cilíndrico, en el que el bobinado está distribuido, alojado en ranuras y dispuesto de manera que el campo es de dos polos y aproximadamente sinusoidal. El uso de uno u otro tipo de rotor depende del tipo de aplicación de la máquina.

El rotor de polos salientes se utiliza en generadores hidroeléctricos, debido a que las velocidades de las turbinas hidráulicas son bajas y se requiere un número de polos relativamente alto para conseguir la frecuencia normalmente usada en los sistemas de potencia (50 Hz). En cambio, los turboalternadores (movidos por turbinas a vapor o gas) funcionan a gran velocidad, por lo que acostumbran a tener 2 ó 4 polos, siendo el rotor cilíndrico. Los generadores síncronos mostrados son monofásicos; sin embargo, la gran mayoría es de tipo trifásico, debido a las ventajas que este sistema tiene en la producción, transmisión y utilización de grandes potencias. Para la creación de tres tensiones desfasadas 120 grados eléctricos entre sí, se necesitan por lo menos tres bobinas desplazadas 120º eléctricos.

Generador trifásico elemental: Representación esquemática

Generador trifásico elemental: Conexión en estrella de los enrollados

La máquina síncrona, puede también utilizarse como motor síncrono, cuya velocidad depende del número de polos y de la frecuencia de la corriente de alimentación, de la misma forma que lo expuesto para el generador síncrono, es decir, según las expresiones (5.2) y (5.3). Por lo tanto, un motor síncrono alimentado por corriente alterna de frecuencia constante girará a velocidad constante (velocidad síncrona). En ambos casos, funcionando como motor o como generador, existe un torque electromagnético y una fuerza contraelectromotriz, siendo éstos los fenómenos más importantes en la Conversión Electromecánica de la Energía.