Introducción a las Máquinas de Corriente Alterna
Las máquinas de corriente alterna (CA) son dispositivos electromecánicos fundamentales en la ingeniería eléctrica, capaces de convertir energía eléctrica en mecánica (motores) o mecánica en eléctrica (generadores). Su funcionamiento se basa en la interacción entre campos magnéticos y conductores eléctricos.
Generalmente, una máquina de corriente alterna está constituida por un hilo de material conductor con forma de espira que puede girar dentro de un campo magnético. Este campo magnético es creado por un devanado arrollado alrededor de un núcleo de material ferromagnético, formando los polos de la máquina.
Velocidad de Sincronismo
La velocidad de sincronismo (ns) es la velocidad a la que gira el campo magnético giratorio del estator de una máquina de corriente alterna. Esta velocidad es directamente proporcional a la frecuencia de la corriente de alimentación e inversamente proporcional al número de pares de polos de la máquina. Cuanto mayor es la frecuencia de la corriente, mayor es la velocidad angular del campo giratorio.
Tipos de Máquinas de Corriente Alterna
Máquinas Asíncronas (Motores de Inducción)
Una máquina asíncrona, también conocida como motor de inducción, es aquella cuya parte móvil (el rotor) gira a una velocidad distinta a la de sincronismo. Esta diferencia de velocidad, conocida como deslizamiento, es esencial para su funcionamiento.
Están constituidas principalmente por un estator bobinado y un rotor que puede ser bobinado o en cortocircuito (jaula de ardilla).
Las ventajas de los motores asíncronos incluyen su facilidad de utilización, escaso mantenimiento, alta fiabilidad y bajo coste de fabricación, lo que los convierte en los motores más utilizados en la industria.
Rotor de Jaula de Ardilla
Es un tipo de rotor que consta de un eje recubierto por una serie de chapas magnéticas apiladas con forma de paquete cilíndrico. En su superficie y/o interior, se encuentran practicadas un número de ranuras donde se introducen una serie de barras de cobre o de aluminio, que están cortocircuitadas en sus extremos por anillos conductores, asemejándose a una jaula de ardilla.
Rotor Bobinado (o Devanado)
En el rotor devanado, el bobinado es similar al del estator con el que está asociado. Es imprescindible que el número de polos del rotor coincida con el número de polos del estator para un funcionamiento adecuado. Este tipo de rotor permite la inserción de resistencias externas para controlar las características de arranque y velocidad.
Curvas Características de los Motores Asíncronos
Las curvas características de los motores asíncronos describen la relación entre el par motor y la velocidad. Los puntos de interés clave son:
- Par de arranque: Es el par que se desarrolla en el momento del arranque, con velocidad cero.
- Par máximo: Es el mayor par que puede desarrollar el motor antes de perder estabilidad.
- Par nominal: Es el par que desarrolla el motor a su velocidad nominal de operación.
En los motores asíncronos, la velocidad nominal siempre será inferior a la velocidad de sincronismo (velocidad del campo magnético del estator) debido al deslizamiento. Cuando el par motor se iguala con el par resistente de la carga, el motor se estabilizará y alcanzará su velocidad nominal.
Alrededor de la velocidad nominal, existe una zona estable en la cual el motor puede oscilar ligeramente en función de las variaciones del par de carga, variando levemente su velocidad. Si el motor sale de esta zona estable, puede perder su capacidad de mantener la carga y detenerse.
Funcionamiento como Alternador (Generador Asíncrono)
El funcionamiento de una máquina asíncrona como alternador (o generador) ocurre a velocidades más altas que la de sincronismo, lo que produce un deslizamiento negativo. En esta condición, el par desarrollado por la máquina se convierte en un par de frenado con respecto al motor, lo que significa que la máquina entrega potencia eléctrica a la red.
Sus inconvenientes principales son: la necesidad de una fuente de alimentación externa que proporcione energía de excitación (no es autoexcitable) y su incapacidad para operar de forma aislada sin una red eléctrica que le suministre la potencia reactiva necesaria para su magnetización.
Arranque de Motores Asíncronos
Durante el arranque, la intensidad de corriente en un motor asíncrono puede elevarse hasta ocho veces más que la intensidad nominal, lo que puede provocar daños en el motor, la instalación eléctrica o caídas de tensión significativas en la red. Para mitigar este problema, se utilizan diversas soluciones de arranque:
- Arranque Directo
- Arranque por Autotransformador
- Arranque Estatórico por Resistencias
- Arranque por Variación de la Resistencia del Rotor
- Arranque Estrella-Triángulo
- Arranque Electrónico (Soft Starter o Variador de Frecuencia)
Arranque Directo
Es la manera más simple de arranque de un motor asíncrono, conectándolo directamente a la tensión nominal de la red.
Ventajas:
- Sencillez del equipo.
- Elevado par de arranque (útil para cargas que requieren alto par inicial).
- Arranque rápido.
- Bajo coste.
Inconvenientes:
- La potencia aplicable es limitada debido a la alta corriente de arranque.
- No permite un aumento progresivo de la velocidad.
- La velocidad nominal se alcanza de manera brusca.
- La elevada corriente de arranque puede causar caídas de tensión en la red y estrés mecánico en el motor y la carga.
Solo se usa en motores de baja potencia o cuando la red eléctrica puede soportar la alta corriente de arranque.
Arranque por Autotransformador
La intensidad en el arranque depende directamente de la tensión aplicada. Si se puede regular la tensión, se puede reducir la corriente de arranque a valores deseados. El proceso de alimentación se efectúa en 2 o 3 puntos de arranque, elevando paulatinamente la tensión a medida que aumenta la velocidad, hasta llegar a la tensión nominal de trabajo.
Inconvenientes:
- Disminuye el par de arranque al disminuir la tensión de arranque.
- El motor no recibe alimentación entre las transiciones de tensión (micro-cortes).
- El tiempo de arranque es mayor.
- Mayor complejidad y coste que el arranque directo.
Arranque Estatórico por Resistencias
Consiste en la conexión en serie con los devanados del estator de una serie de resistencias. Así se consigue limitar la intensidad en el arranque al reducir la tensión aplicada a los devanados del motor.
Ventajas:
- Simplicidad.
- Bajo coste.
Inconvenientes:
- Par de arranque muy bajo.
- Tiempo de arranque elevado.
- Pérdidas de energía en las resistencias.
Arranque por Variación de Resistencias del Rotor
Este método solo se puede llevar a cabo en los motores de rotor bobinado. Consiste en la inserción de resistencias externas en el circuito del rotor, las cuales se van cortocircuitando a medida que el motor acelera. Esto permite controlar el par y la corriente de arranque.
Inconvenientes:
- Sistema más costoso y complejo al requerir rotores bobinados y resistencias externas.
- Pérdidas importantes por disipación de potencia en las resistencias durante el arranque.
- Requiere mantenimiento de escobillas y anillos rozantes.
Arranque Estrella-Triángulo (Y-Δ)
Se puede utilizar tanto en motores con rotor bobinado como en los de inducción (rotor de jaula de ardilla). El requisito imprescindible es que la placa de bornes tenga acceso a los seis terminales de los devanados de fase (U1, V1, W1, U2, V2, W2).
Conexión en Estrella (Y)
Consiste en la unión, en un punto común (neutro), de los tres devanados del estator. Cada una de las salidas libres será alimentada por las fases correspondientes. La principal característica es que la tensión en cada devanado (tensión de fase) queda dividida por √3 respecto a la tensión de línea, y la intensidad de línea en el instante de arranque se reduce a 1/3 con respecto al arranque en triángulo.
Conexión en Triángulo (Δ)
Consiste en la unión de cada devanado con los otros dos en un punto, formando una configuración triangular. Se caracteriza porque cada devanado recibe la tensión de línea completa. La intensidad de línea en el arranque será tres veces mayor que en un arranque en estrella.
Inconvenientes del Arranque Estrella-Triángulo:
- El par de arranque en estrella se ve reducido a 1/3 del par nominal (o del par que se obtendría en conexión triángulo).
- El arranque es lento y no regulable de forma continua.
- El motor se deja de alimentar durante el cambio de conexión de estrella a triángulo (micro-corte), lo que puede generar transitorios.
Arranque Electrónico (Soft Starter)
Los arrancadores suaves (soft starters) permiten una aplicación progresiva de la tensión de arranque, con la consiguiente limitación de la intensidad y el control del par de arranque.
Partes principales:
- El circuito de potencia, generalmente compuesto por tiristores.
- El circuito de mando/regulación de los tiristores, que controla la fase de aceleración y, en algunos casos, la de frenado.
Ventajas:
- Carecen de partes móviles para la conmutación de potencia (a diferencia de contactores mecánicos).
- Permiten arranques suaves y regulados, reduciendo el estrés mecánico.
- Permiten la limitación precisa de la intensidad de arranque.
- Permiten ajustar el tiempo de rampa de aceleración y desaceleración del motor.
- Algunos modelos detectan y controlan la posible falta de alguna fase.
- Proporcionan un mejor control y protección del motor.
- Al carecer de elementos mecánicos desgastables en el circuito de potencia, proporcionan mayor fiabilidad y alargan la vida útil del motor y la máquina accionada.
Control de Motores Asíncronos
El control de los motores asíncronos se centra en la manipulación de sus principales parámetros o magnitudes: la velocidad de giro, el par motor y el sentido de giro.
- La velocidad de giro del rotor puede variar si se modifica la velocidad de sincronismo (cambiando la frecuencia de alimentación o el número de polos del estator).
- Para conseguir una variación del par motor, se puede variar la tensión de alimentación (aunque esto afecta también la eficiencia y la corriente). Un control más avanzado del par se logra con variadores de frecuencia.
- Para controlar el sentido de giro de este tipo de motores, solo es necesario intercambiar dos de sus fases de alimentación.
Máquinas Síncronas (Alternadores y Motores Síncronos)
Las máquinas síncronas están compuestas por un estator con un devanado trifásico, de manera similar a las máquinas asíncronas.
El rotor, sin embargo, está constituido por un devanado de corriente continua (CC) que se encarga de crear un campo magnético fijo. Este devanado se alimenta mediante escobillas y anillos rozantes (en máquinas con excitación externa) o mediante sistemas sin escobillas.
La diferencia básica respecto a las máquinas asíncronas es que la velocidad del rotor es idéntica a la velocidad de sincronismo; es decir, no existe deslizamiento. Esto las hace ideales para aplicaciones donde se requiere una velocidad constante y precisa.
El rotor puede ser de dos tipos principales: de polos lisos (cilíndricos) o de polos salientes, cada uno con características específicas para diferentes aplicaciones.
Sistemas de Excitación de Máquinas Síncronas
La excitación es el proceso de suministrar corriente continua al devanado del rotor para crear el campo magnético necesario. Existen varios métodos:
Excitación Estática Autoexcitada
En este sistema, la propia línea de salida del alternador se utiliza para la autoalimentación. Se intercala en el circuito un transformador para regular la tensión y un rectificador de corriente para alimentar el devanado de campo con CC.
Se necesita una alimentación inicial por parte de otra fuente de energía para el arranque (magnetización residual).
Ventajas:
- Sistema muy habitual en grandes generadores.
- Sistema de respuesta más rápida.
- Sistema de excitación completamente autónomo, excepto en el arranque inicial.
- Principal solución para excitaciones estáticas modernas.
Excitación Estática Independiente
Consiste en alimentar el rotor con una fuente de energía independiente que se transforma y rectifica previamente. Esta fuente debe ser segura y de régimen continuo para garantizar la estabilidad del campo magnético.
Excitación Rotativa
Se utiliza una máquina rotativa (excitatriz) para alimentar el rotor, ya sea con CC o CA (que luego se rectifica en el propio rotor). La excitatriz puede ser independiente o puede situarse en el mismo eje del alternador.
Será necesaria la intervención de una fuente de alimentación externa, bien para alimentar la excitatriz en régimen continuo si es externa, o bien para excitarla en el arranque si se encuentra en el mismo eje del alternador.
Este sistema se utiliza comúnmente en aplicaciones como vehículos ferroviarios y grandes centrales eléctricas.