Fundamentos de Máquinas Eléctricas de Corriente Alterna: Síncronas y Asíncronas

Máquinas de Corriente Alterna (AC): Conceptos Fundamentales

Definiciones de Par y Campo

Par Motor

Par desarrollado por el motor para vencer el par resistente.

Par Resistente

Par que se produce por la carga y que debe ser vencido por el motor.

Campo Giratorio (Rotante)

Se crea a partir de un cilindro de hierro ferromagnético, con bobinas que separan las entradas y salidas 120º entre sí. Se alimenta con Corriente Alterna (CA), obteniendo por efecto de la corriente un campo magnético rotatorio.

Velocidad de Sincronismo (N_s)

Es la velocidad a la que gira el campo magnético rotante.

Frecuencia (f)

La relación entre frecuencia, número de polos y velocidad se define como:

$$f = \frac{P \cdot N}{60}$$

• P: Número de pares de polos.
• N: Velocidad de giro (rpm).

Máquinas Síncronas

Son aquellas en las que el rotor gira exactamente a la velocidad de sincronismo (N = N_s).

Componentes Principales

• Estator (o Armadura): Formado por varias chapas magnéticas embutidas en una carcasa, alojando las bobinas del devanado.
• Rotor: Contiene el circuito de devanado de excitación.

Tipos de Rotor Síncrono

• Polos Salientes: Utilizado en máquinas de pocos polos (generalmente 2), de gran potencia y baja velocidad.
• Rotor de Ranura o Polos Lisos (Cilíndrico): Utilizado en máquinas más pequeñas, de menor potencia y alta velocidad.

Circuitos Eléctricos

• Inductor: Genera el campo magnético de excitación. Está bobinado sobre el rotor con un número fijo de polos de signo alternativo (N, S, N, S). Presenta un desgaste mínimo gracias al colector de anillos rozantes.

• Inducido: Se encuentra en el estator. Según las fases, puede ser monofásico, bifásico o trifásico. En el caso trifásico, está formado por tres devanados entrelazados (uno por fase). El número de polos del inducido es el mismo que el del devanado de excitación.

Inconvenientes para el Arranque

Requieren un sistema de arrastre externo para llevar el rotor a la velocidad de sincronismo. Al alimentar el circuito magnético, se produce un campo giratorio que interactúa con el campo magnético fijo generado por el devanado de excitación. Si esta interacción no se sincroniza rápidamente, la máquina puede no arrancar.

Detalles Adicionales del Rotor Síncrono

• Número de Polos: El número de polos del inducido debe ser el mismo que el del devanado de excitación (inductor).
• Anillos Rozantes: El rotor utiliza dos anillos que introducen la corriente necesaria para generar el campo al inductor.
• Excitación: Es el campo magnético inductor creado por una corriente eléctrica en el rotor.

Máquinas Asíncronas (Inducción)

Son aquellas cuya velocidad de giro es siempre inferior a la velocidad de sincronismo (N < N_s). Están formadas por un circuito magnético (parte fija: estator; parte móvil: rotor) y dos circuitos eléctricos.

Tipos de Rotor Asíncrono

• Rotor en Cortocircuito (Jaula de Ardilla): Posee un número determinado de barras rígidas que cierran el cortocircuito en los extremos, formando su devanado.
• Rotor Ranurado (Bobinado): Está ranurado en todo su contorno para alojar un devanado formado por bobinas de pletinas esmaltadas.

Circuitos Eléctricos

• Rotor
• Estator

Inductor (Estator)

Generalmente formado por tres devanados. El número de polos define la ejecución del devanado. La velocidad de giro depende de la frecuencia de la red.

Inducido (Rotor)

Se encuentra en el rotor. Puede ser de dos tipos:

• Barras en Cortocircuito (Jaula de Ardilla): Formado por barras de aluminio alojadas en ranuras del tambor del rotor y cerradas con discos en los extremos.
• Ranura Profunda: Un único sistema de barras alargado en el interior del rotor. Ofrece poco mantenimiento y no requiere conexiones externas.

Rotor Bobinado (Rotor de Anillos)

El tambor del rotor está ranurado y aloja las bobinas del devanado. Este tipo de rotor proporciona un alto par de arranque.

El devanado del rotor suele estar formado por tres devanados conectados en estrella, con un extremo conectado a los anillos rozantes. Aunque el número de devanados puede variar, debe mantener el mismo número de polos que el estator.

La máquina posee una caja de 9 bornes (6 del estator y 3 del devanado del rotor).