Máquinas de Corriente Alterna: Motores y Generadores Síncronos y Asíncronos

T.9 Máquinas de Corriente Alterna (CA)

Las máquinas de CA se clasifican principalmente en dos tipos: síncronas y de inducción (o asíncronas).

• Máquinas Síncronas: Pueden funcionar como motores y generadores. La corriente de excitación (I_e) es suministrada por una máquina de corriente continua (CC) independiente.
• Máquinas de Inducción: Funcionan principalmente como motores. La corriente de excitación (I_e) es suministrada por inducción magnética.

Cuadro Comparativo de Máquinas de CA

P2. Motores Síncronos de CA: Estructura Interna

• Estator: Similar al de las máquinas de CC. En motores trifásicos, que son los más comunes, el estator tiene tres bobinados desfasados 120º eléctricos.
• Rotor: Conjunto de barras de cobre (Cu) o aluminio (Al) en forma cilíndrica unidas a unos anillos. Las bobinas crean polos norte (N) y sur (S) alternativamente. La tensión de CC se aplica a través de anillos de rozamiento.

P3. Principio de Funcionamiento de los Motores Síncronos

1. La corriente de excitación (I_e) circula por el rotor, creando un campo magnético constante (B_r).
2. En el estator, un bobinado bifásico o trifásico crea un campo magnético giratorio.
3. El campo magnético del rotor (B_r) intenta alinearse con el campo magnético giratorio del estator.

P4. Arranque de Motores Síncronos

Los motores síncronos no pueden arrancar por sí solos. Existen tres métodos principales de arranque:

1. Reducir la velocidad del campo magnético del estator.
2. Usar un motor externo para llevar el rotor a la velocidad de sincronismo.
3. Usar bobinados amortiguadores (método más común):
   • Se montan barras en el rotor en cortocircuito.
   • Se induce una fuerza electromotriz (ε) que origina una corriente que crea un campo magnético (B_w).
   • B_r y B_w crean un par motor (T) que, junto con el campo magnético del estator (B_s), hace girar el rotor.

P5. Motores Asíncronos o de Inducción

No necesitan corriente de excitación en el rotor para funcionar. Se utilizan únicamente como motores.

A. Estructura

• Estator: Similar al de los motores síncronos.
• Rotor:
  • Jaula de ardilla.
  • Bobinado.

P6. Principio de Funcionamiento de los Motores Asíncronos

1. Se aplica al estator una corriente trifásica que crea un campo magnético giratorio (B_s) de velocidad n = (f * 60) / p, donde f es la frecuencia y p el número de pares de polos.
2. B_s induce una fuerza electromotriz (fem) en las barras del rotor (E = B_slv, donde l es la longitud del conductor y v la velocidad relativa).
3. Se crea un campo magnético en el rotor (B_w) que, junto con B_s, genera un par motor que hace girar el rotor en el sentido de B_s.

Deslizamiento

La velocidad de deslizamiento es la diferencia entre la velocidad de sincronismo (n) y la velocidad del rotor (n_r) en un motor de inducción.

T.10 Generadores de Corriente Alterna (CA)

Los generadores de CA, también conocidos como alternadores, son máquinas síncronas que transforman la energía mecánica que reciben en su eje en energía eléctrica de CA en sus bornes de salida.

Estructura Interna

• Estator: Contiene las bobinas del inducido.
• Rotor: Contiene las bobinas del inductor y anillos de rozamiento donde se aplica la corriente de excitación (I_e). Los polos pueden ser lisos o salientes.

P.2 Principio de Funcionamiento de los Generadores de CA

Un motor primario hace girar el rotor del alternador. Como el rotor está sometido a la corriente de excitación (I_e), se crea un campo magnético giratorio (B_r). Este campo induce una diferencia de potencial (ddp) en las bobinas del estator debido al movimiento relativo. Para que la ddp sea senoidal, B_r debe ser senoidal. Una forma de lograrlo es disminuir el número de conductores en las espiras del estator, concentrando el campo en las bobinas con menos conductores. En la práctica, las bobinas suelen tener el mismo número de conductores y luego se eliminan los armónicos para obtener una señal senoidal.

P.3 Funcionamiento en Carga de los Generadores de CA

Cuando el generador está en carga, aparece una corriente en el inducido (I_i) que provoca:

• Caída de tensión en el inducido.
• Efecto de reacción del inducido.
• Efecto de dispersión del flujo magnético.

Estos efectos hacen que la tensión en bornes sea diferente a la generada en el interior del generador.

Tabla de Efecto de la Reacción del Inducido según el Tipo de Carga

Efecto de Dispersión del Flujo Magnético

No todas las líneas del flujo magnético inductor (Φ) pasan por el inducido. Cuanto mayor es la corriente en el inducido (I_i) o en la carga, mayores son los flujos de dispersión y mayor es la caída de tensión interna.

P.4 Comportamiento con Carga de los Generadores de CA

El comportamiento de un generador de CA con carga depende de varios factores, incluyendo el tipo de carga, la corriente de carga (I_L) y el factor de potencia (cos φ).

• Carga Resistiva: El incremento de la corriente (I) supone una mayor caída de tensión interna y una menor tensión en bornes (V).
• Carga Inductiva: El incremento de la corriente hace que la caída de tensión sea más acusada y la tensión en bornes (V) sea menor.
• Carga Capacitiva: El incremento de la corriente hace que la caída de tensión disminuya y la tensión en bornes (V) sea mayor.