Fundamentos y Optimización de Máquinas Eléctricas: Transformadores, Generadores y Motores

Introducción a las Máquinas Eléctricas: Conceptos Fundamentales

La corriente de excitación (Iexc) está retrasada 90° respecto a la tensión y el flujo, lo que genera pérdidas en el núcleo y el ciclo de histéresis.

Optimización del Rendimiento en Máquinas Eléctricas

El rendimiento máximo (ηmax) para una máquina se alcanza cuando las pérdidas fijas son iguales a las pérdidas variables. Para mejorar el rendimiento, es crucial no trabajar a poca carga, sino operar con un índice de carga cercano al óptimo. Se deben evitar máquinas con potencia nominal (Pnom) mucho mayor que la potencia de trabajo (Ptrabajo).

Tipos de Devanados de Excitación

• Excitación Independiente: La fuente de excitación es externa.
• Autoexcitadas:
  • Serie
  • Derivación (Shunt)
  • Compuesta

Pruebas Fundamentales en Transformadores

Prueba de Vacío (o de Circuito Abierto)

Esta prueba permite determinar las pérdidas en el hierro (Pfe) y la corriente de magnetización (Imu). Se aplica la tensión nominal al primario del transformador con el secundario en circuito abierto.

Prueba de Cortocircuito

Esta prueba permite determinar la resistencia de cortocircuito (Rcc) y la reactancia de cortocircuito (Xcc). Se aplica entre el 3% y el 10% de la tensión nominal al primario con el secundario en cortocircuito para que la corriente nominal (Inom) circule por el primario.

Reacción del Inducido y su Compensación

La reacción del inducido deforma la curva de inducción debajo de cada polo, reforzando el campo en un lado del polo y debilitándolo en el otro. En un generador, la línea neutra magnética se adelanta un ángulo respecto del sentido del giro. En modo motor, se retrasa.

Para reducir el efecto de la reacción del inducido, debemos reducir o eliminar la fuerza magnetomotriz (FMM) transversal.

Devanados de Compensación

Se ubican en ranuras en los extremos polares que atraviesan el ancho del material. En estas ranuras se bobina un devanado que se conecta en serie a las escobillas. Su implementación eleva el coste de la máquina, aumenta las pérdidas, y se usa principalmente en máquinas de gran potencia.

Polos Auxiliares

Se crean nuevos polos a una distancia específica respecto a los originales, siendo siempre simétricos. Su acción debe ser proporcional a la corriente del inducido (Ii), y el circuito magnético debe trabajar en zona lineal.

Factores de la Fuerza Electromotriz (FEM)

• Factor de Forma (kf): El flujo inductor no se reparte siempre de forma sinusoidal por el entrehierro.
  • Real: kf < 1.11
  • Ideal: kf = 1.11
• Factor de Distribución (kd): El inductor suele estar distribuido en ranuras a lo largo de la periferia de la máquina.
  • Real: kd < 1
  • Ideal: kd = 1
• Factor de Acortamiento (ka): Los enrollamientos no son siempre de paso diametral.
  • Real: ka < 1
  • Ideal: ka = 1

Estos factores son cruciales para la fórmula de cálculo de la FEM inducida.

Pérdidas en Máquinas Eléctricas

Las pérdidas en máquinas eléctricas se clasifican principalmente en pérdidas fijas (en el núcleo) y pérdidas variables (en el devanado).

Tipos de Pérdidas

• Pérdidas en el Hierro (Pfe): Se producen en el núcleo y son proporcionales al volumen del material, aumentando con la frecuencia. Para reducirlas, se utilizan chapas magnéticas y se reduce su espesor.
• Pérdidas Mecánicas (Pmec): Se deben a rozamiento y fricción, siendo proporcionales a la velocidad. Incluyen pérdidas por ventilación, cojinetes y escobillas. Son constantes a velocidad constante.
• Pérdidas en el Cobre (Pcu): Son proporcionales al volumen del material y a la densidad de corriente. A mayor corriente, mayores pérdidas en forma de calor. Se producen en el bobinado de cobre y varían con la carga.

Transformadores Trifásicos y su Operación

Configuraciones Comunes

Los transformadores trifásicos pueden configurarse en:

• Estrella (Y)
• Triángulo (Δ)
• Zigzag (Z)

Acoplamiento en Paralelo

El acoplamiento en paralelo de transformadores (idealmente con unidades iguales) permite elevar el nivel de potencia suministrado. Una ventaja clave es que no se interrumpe el suministro si uno de los transformadores falla, y además, aumenta el rendimiento global del sistema.

Autotransformadores

Los autotransformadores requieren menos material y, por lo tanto, tienen menos pérdidas, lo que se traduce en un mejor rendimiento. Sin embargo, no poseen aislamiento galvánico entre el primario y el secundario, y en caso de fallo, pueden producir corrientes de cortocircuito muy elevadas.