Elementos y materiales del rotor del motor de inducción asíncrono trifásico: rotor de jaula de ardilla y rotor bobinado

Elementos y materiales del rotor del motor de inducción asíncrono trifásico (jaula de ardilla y rotor bobinado)

En la máquina asíncrona, normalmente el rotor es el inducido y el estator el inductor. Las corrientes que circulan por el rotor aparecen como consecuencia de la interacción con el flujo del estator.

Dependiendo del tipo de rotor, estas máquinas se clasifican en:

• Rotor en jaula de ardilla o en cortocircuito.
• Rotor bobinado, devanado o con anillos.

El rotor está constituido por un conjunto de chapas apiladas formando un cilindro, que tienen unas ranuras en la circunferencia exterior donde se coloca el devanado. Esta es de material ferromagnético para evitar las pérdidas en el hierro, normalmente de acero al silicio. Las chapas disponen en el centro de un agujero circular para introducir el eje de la máquina.

En el tipo de jaula de ardilla se tienen una serie de conductores de cobre o aluminio puestos en cortocircuito por dos anillos laterales.

En el caso de rotor bobinado se tiene un arrollamiento trifásico similar al situado en el estator, en el que las tres fases se conectan por un lado en estrella y por el otro se envían a los anillos aislados entre sí. Esta disposición hace posible la introducción de resistencias externas por los anillos para limitar las corrientes.

Constitución y principio de funcionamiento de la máquina de inducción síncrona trifásica

La máquina síncrona es aquella cuyo rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético (n = n_s). Por lo tanto, su velocidad depende de la frecuencia y del número de polos:

n = n_s = (60 f) / p = cte

El estator puede ser el mismo de una máquina asíncrona. Al alimentarlo con una señal trifásica sinusoidal genera un campo magnético giratorio. Tiene dos devanados: el inductor, alimentado con corriente continua, y el inducido trifásico, alimentado con corriente alterna.

El rotor está formado por un imán permanente o por un electroimán recorrido por una corriente continua generada por una excitación, que puede ser una dinamo excitatriz de tipo shunt montada en el mismo eje de la máquina (alternador). La corriente seguirá el sentido del campo magnético del estator mientras que el par resistente del rotor sea menor que el par electromagnético entre rotor y estator.

En las máquinas de potencia superior a 10 kVA, el inductor se encuentra en el rotor (caso de alternadores) y puede ser de polos salientes o polos lisos.

Como el campo magnético del estator alcanza instantáneamente la velocidad de sincronismo (de 0 a n_s) y el rotor tiene una inercia en función de su masa y de su par resistente, es necesario para arrancar vencer esa inercia inicial mediante un sistema auxiliar (sistema de excitación) hasta que dicho rotor alcance la velocidad de sincronismo.

En las máquinas síncronas modernas el arranque se consigue mediante un devanado similar a la jaula de ardilla en las cabezas polares, que hace que arranque como motor asíncrono.

Aplicaciones:

• Rotor de polos salientes: turbinas de centrales hidroeléctricas y generadores diésel.
• Rotor de polos lisos: turbinas de vapor.

Funcionamiento de un alternador de red aislada: regulación de tensión y potencia

El comportamiento de un generador síncrono (alternador) varía si está solo (red aislada) o con otros en paralelo (red infinita). Según el principio de la máquina síncrona, un alternador aislado gira con n = cte.

Al conectar una carga aparece en el inducido una corriente que generará una reacción de inducido, creando una FMM que contrarresta la FMM del inductor y disminuye la FMM resultante del entrehierro, lo que disminuye la tensión en los bornes.

Para que la tensión permanezca constante, habrá que variar la excitación (i_ex) mediante un regulador de tensión incorporado en la excitatriz. Además, al aumentar la carga conectada al alternador se reduce la velocidad; esto lo detecta el regulador de velocidad, que actúa aumentando el caudal de vapor o agua de la turbina conectada al alternador y aumenta la velocidad del grupo.

De esta manera, conseguimos que la tensión en bornes permanezca constante al aumentar la carga.

En resumen, en un alternador que trabaja en red aislada:

1. La frecuencia depende de la velocidad del motor primario que mueve la máquina síncrona.
2. El factor de potencia del generador es el factor de potencia de la carga.
3. La tensión de salida depende de n (velocidad de giro), i_ex, i_inducido y del factor de potencia de la carga.

Condiciones de acoplamiento a red de un alternador trifásico y forma de controlar su funcionamiento

Para acoplar a la red un alternador trifásico, deben cumplirse 4 condiciones:

1. Misma tensión en bornes: la tensión del alternador (U) debe ser igual a la de la red. Primero arrancamos el motor de arrastre (c.c.) y regulamos R_ex hasta conseguir la tensión del alternador; luego se excita dicho alternador hasta que el voltímetro colocado en bornes del alternador y el colocado en la red marquen lo mismo.
2. Misma frecuencia: la red y el alternador deben tener la misma frecuencia. Para conseguirlo se regula la velocidad hasta que los frecuencímetros de red y alternador marquen lo mismo.
3. Tensiones en fase: las tensiones de red y del alternador deben estar en fase. Para comprobarlo se coloca un sincronoscopio entre red y alternador. La señal es la de lámparas: cuando están encendidas hay diferencia de potencial y cuando están apagadas están al mismo potencial y en fase.
4. Misma secuencia de fases: las lámparas deben tener la misma secuencia de fases. Si se apagan y encienden a la vez estarán en fase; si no, habrá que intercambiar dos fases en la red o en el alternador.

Principio de funcionamiento del motor monofásico universal

Se trata de un motor de colector serie, semejante a un motor de corriente continua con excitación serie. Se llama universal porque puede funcionar con corriente continua y corriente alterna.

Su funcionamiento se basa en el teorema de Leblanc: