1. INTRODUCCIÓN.
2. TRANSFORMADORES.
2.1. CONSTITUCIÓN.
2.2. FUNCIONAMIENTO.
2.3. APLICACIONES.
3. MÁQUINAS ROTATIVAS DE CORRIENTE ALTERNA.
3.1. MÁQUINAS ASÍNCRONAS.
3.1.1. Constitución.
3.1.2. Funcionamiento.
3.1.3. Aplicaciones.
3.2. MÁQUINAS SÍNCRONAS.
3.2.1. Constitución.
3.2.2. Funcionamiento.
3.2.3. Aplicaciones.
4. BALANCE DE POTENCIAS.
5. TRIÁNGULO DE POTENCIAS.
6. CONEXIÓN DE MOTORES TRIFÁSICOS.
6.1. CONEXIÓN EN ESTRELLA.
6.2. CONEXIÓN EN TRIÁNGULO.
7. ARRANQUE DE MOTORES TRIFÁSICOS.
8. REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD.
9. CONCLUSION.
10. Bibliografía. Electrotecnia. McGraw-Hill. Tecnología industrial 2. Donostiarra.
Manual básico de motores eléctricos. Paraninfo.
1. Introducción.
Las máquinas eléctricas son el resultado de una aplicación de los principios del electromagnetismo y de la ley de inducción de Faraday. Las máquinas eléctricas se caracterizan por tener circuitos eléctricos y magnéticos entrelazados. Las máquinas eléctricas hacen una conversión de energía de una forma a otra, teniendo tres tipos:
1. Generador, que transforma la energía mecánica en eléctrica que por el movimiento giratorio de una bobina en un campo magnético, resultando una fuerza electromotriz inducida que al aplicarla a un circuito externo, produce una corriente eléctrica.
2. Motor, que transforma la energía eléctrica en mecánica, donde se desarrolla introduciendo una corriente en la máquina por medio de una fuente externa, que interacciona con un campo magnético produciendo un movimiento en la máquina.
3. Transformador, que transforma una tensión e intensidad de entrada en otra distinta.
Los generadores y motores son máquinas dotadas de movimiento, por el contrario los transformadores son máquinas eléctricas estáticas.
En este tema clasificaremos las máquinas eléctricas de corriente alterna, en estáticas como los transformadores o de movimiento rotativo como los motores y generadores.
Antes vamos a recordar los principios físicos que servirán para explicar el funcionamiento de estas máquinas.
De inducción electromagnética, la Ley de Faraday que dice que una variación de flujo magnético sobre una espira de alambre inducirá sobre dicho alambre un voltaje proporcional al tiempo.
De fuerza electromagnética, la ley de Lorentz, donde una carga que se mueve en el interior de un campo magnético a una velocidad v, se ve sometida a la acción de una fuerza magnética.
Las corrientes de Foucault son corrientes inducidas que circulan por el volumen del conductor, debidos a que se mueven en un campo magnético.
Este tema tiene mucha importancia por su aplicación diaria y sus contenidos se ven en el currículo de bachillerato
2. Transformadores.
Un transformador de potencia es un aparato estático que, por inducción electromagnética, transforma un sistema de corrientes alternas en otro de intensidad y tensión distinta.
2.1. Constitución.
El transformador consta de núcleo, devanados, sistema de refrigeración y otros elementos.
Se denomina núcleo del transformador, al sistema que forma su circuito magnético constituido por chapas de acero al silicio laminadas en frío con un tratamiento que reduce las pérdidas en el hierro. El circuito magnético está formado por las columnas donde se montan los devanados y las culatas que son las partes que realizan la unión entre las columnas.
Las secciones de las columnas y las culatas son iguales para hacer que la inducción sea la misma en todo el circuito magnético.
Los devanados son el circuito eléctrico del transformador, se realizan por conductores de cobre recubiertos por una capa de aislante, formando el devanado primario que recibe el voltaje de entrada y secundario que da la salida.
En un transformador hay pérdidas que producen calor y por eso se dota de un sistema de refrigeración que para pequeñas potencias se hace por la superficie externa dando los transformadores en seco y para mayores potencias se refrigeran con aceite.
Otro elemento que suelen llevar los transformadores es el llamado relé de gas que protege a la máquina de sobrecargas peligrosas o fallos de aislamiento, etc.
2.2. Funcionamiento.
Un transformador consta de un circuito eléctrico y un circuito magnético. El circuito eléctrico está formado por bobinas de cobre por las que circulan corrientes. El devanado inductor se conecta a una fuente de corriente alterna y se denomina primario. El devanado inducido o secundario entrega la energía eléctrica a un circuito exterior por medio de conexiones fijas.
El funcionamiento es el siguiente, la Bobina primaria recibe un voltaje alterno que hará circular, por ella, una corriente alterna, esta corriente inducirá un flujo magnético en el núcleo de hierro, como el bobinado secundario está arrollado sobre el mismo núcleo de hierro, el flujo magnético circulará a través de las espiras de éste. Al haber un flujo magnético que atraviesa las espiras del secundario, se generará por el alambre del secundario una tensión y en el secundario habría una corriente si hay una carga conectada como una resistencia.
La razón de la transformación del voltaje cumple la expresión siguiente, donde la tensión y números de espiras es directamente proporcional y la intensidad inversamente proporcional.
Es decir la expresión, es R = V1 V2 = N1 N 2 = I 2 I1
2.3. Aplicaciones.
Algunas aplicaciones son para el transporte y distribución donde al elevar la tensión y bajar la intensidad no se producen tantas pérdidas por efecto Joule.
Otros usos son como transformador regulador para variar intensidades de iluminación, como transformador de protección de perturbaciones en la red, también para transformador de potencia y transformadores de medida, ya que en alta tensión no se puede medir directamente la magnitud por su peligro.
3. Máquinas rotativas de corriente alterna.
Una máquina rotativa de corriente alterna es un convertidor electromecánico que convierte energía eléctrica en mecánica, en forma de par a una velocidad de giro determinadas, y viceversa. Las máquinas rotativas son reversibles, es decir pueden ser generadores o motores.
Las máquinas eléctricas rotativas de corriente alterna, se pueden clasificar según la velocidad que desarrollen en Máquinas Asíncronas o síncronas
3.1. Máquinas asíncronas.
La diferencia de la máquina asíncrona con los demás tipos de máquinas eléctricas de corriente alterna, se debe a que no existe corriente conducida por uno de los arrollamientos. La corriente que circula por uno de los devanados, generalmente el situado en el rotor, se debe a la fuerza electromotriz inducida por el flujo del otro, y por esa razón se denominan máquinas de inducción.
3.1.1. Constitución.
La máquina asíncrona o de inducción, está formada por un estator y un rotor. En el estator se coloca el inductor, alimentado por una red mono o trifásica. El estator está formado por un apilamiento de chapas de acero al silicio, disponen de unas ranuras en su periferia interior, donde se sitúa un devanado trifásico distribuido, este estator alimentado por una corriente trifásica produce un campo magnético giratorio en el entrehierro. El estator esta rodeado por la carcasa y el rotor es el inducido y las corrientes que circulan por él aparecen como consecuencia de la interacción con el flujo del estator. Dependiendo del tipo de rotor, estas máquinas se clasifican en 2, que son:
1.- Rotor en jaula de ardilla o en cortocircuito donde los conductores de las espiras se cortocircuitan llevando los extremos de todos ellos a dos anillos a los que se unen.
2.- Y Rotor devanado o con anillos donde el cortocircuito de las espiras se hace externamente por medio de anillos rozantes y escobillas, donde presenta la ventaja de poder controlar el circuito del rotor desde el exterior.
En los motores de mediana y gran potencia existe un ventilador y aletas para refrigerar el motor.
En los motores asíncronos trifásicos tenemos la caja de bornes con los extremos de los bobinados, donde los principios de los arrollamientos se designan con las letras U, V y W, y los extremos finales con X, Y, Z, respectivamente.
La conexión en estrella se emplea cuando la máquina ha de conectarse a la tensión más elevada indicada en su placa de características, utilizando la conexión en triángulo para la tensión más baja.
3.1.2. Funcionamiento.
Generalmente la máquina asíncrona suele funcionar como motor y a este régimen de funcionamiento nos referiremos en lo sucesivo. El concepto de funcionamiento de las máquinas asíncronas se basa en el concepto de campo magnético giratorio.
El devanado del estator está constituido por tres arrollamientos desfasados 120º en el espacio, y por unos polos igual a 2 por p, que al introducir por ellos corrientes de una red trifásica de frecuencia f1, se produce una onda rotativa de fuerza magneto motriz que produce un flujo giratorio cuya velocidad en revoluciones por minuto viene expresada por
60 × f 
que recibe el nombre de velocidad de sincronismo. Este flujo giratorio inducirá fuerzas electromotrices en los conductores del rotor y aparecerán en estos corrientes que reaccionarán con el flujo del estator. Estas corrientes tendrán un sentido tal que de acuerdo con la Ley de Lenz se oponga a la variación del campo magnético. Sobre los conductores del rotor actúa una fuerza tangencial que hace girar el rotor en el mismo sentido que el campo magnético, para así disminuir el desplazamiento relativo del flujo inductor.
El rotor trata de alcanzar la velocidad del campo magnético pero nunca lo alcanza, por eso denominamos deslizamiento a la diferencia de velocidad, y a la relación entre el deslizamiento y la velocidad de sincronismo se llama deslizamiento relativo que es igual a la expresión
s = ns − ns
El momento del arranque es cuando el motor asíncrono consume la mayor intensidad de la línea, ya que tiene quevencer todas las inercias de la carga, y cuando la diferencia entre la velocidad del rotor y la del campo magnético es mayor.
Estas intensidades sobrecargan las líneas de distribución y por eso se reducen las intensidades durante el arranque ya que el arranque directo sólo está permitido para motores de hasta 5,5 kiloWatios. El método más utilizado es el arranque estrella-triángulo. Primero se conecta el motor en estrella, donde la intensidad por fase es raíz de 3 veces menor que en triángulo, y cuando el motor ya está lanzado se efectúa el cambio a triángulo. En los motores asíncronos con rotor bobinado, se controla el arranque con un reóstato exterior.
Para invertir el giro en un motor asíncrono será suficiente con intercambiar la conexión de dos de las fases en la caja de bornes.
En cuanto al Motor monofásico asíncrono, estos motores surgen en la vivienda o en las pequeñas industrias, que no disponen de corriente trifásica con una potencia inferior a 1 Caballo de vapor. En los motores asíncronos monofásicos, hay que crear dos campos magnéticos sinusoidales desfasados entre sí y desplazados de manera angular. En este tipo de motores el desfase del campo magnético puede producirse de dos maneras o por espiras en cortocircuito o con fase partida.
En cuanto al frenado de un motor asíncrono, el frenado se puede hacer con frenos por zapatas, o cambiando los pares electromagnéticos que se opongan al giro.
3.1.3. Aplicaciones.
Los motores asíncronos son muy utilizados por su construcción simple y robusta, sobre todo el de jaula de ardilla que a veces trabaja en circunstancias adversas.
Tienen el inconveniente de regular su velocidad, pero con el desarrollo de dispositivos electrónicos, que permiten obtener una frecuencia variable a partir de la frecuencia constante de la red, se están extendiendo en accionamientos eléctricos de velocidad variable.
3.2. Máquinas síncronas.
Las máquinas síncronas son máquinas eléctricas cuya velocidad de rotación está vinculada con la frecuencia de la red f de corriente alterna con la expresión
n = 60 × f s p
Las máquinas síncronas están sometidas al principio de reciprocidad electromagnética, pudiendo funcionar tanto en régimen generador como en régimen motor.
3.2.1. Constitución.
Las máquinas síncronas están constituidas por dos devanados independientes:
1. Un devanado inductor, construido en forma de arrollamiento concentrado o bien distribuido en ranuras, alimentado por una corriente continua, que da lugar a los polos de la máquina.
2. Un devanado inducido distribuido formando un arrollamiento trifásico recorrido por corriente alterna.
En las máquinas pequeñas el devanado inductor se coloca normalmente en el estator sobre expansiones magnéticas llamadas polos salientes, estando el inducido en el rotor formado por tres fases que tienen salida al exterior por medio de tres anillos rozantes.
El las máquinas síncronas grandes, la colocación de los devanados es a la inversa que en el caso anterior, los polos quedan situados en el rotor y el devanado trifásico en el estator, en este caso la alimentación del devanado inductor, se realiza por dos anillos rozantes colocados en la parte móvil de la máquina por los que se introduce una corriente continua exterior a través de las escobillas.
Aparte de estas características propias, cuentan también con otros elementos mecánicos, como puedan ser los cojinetes, culatas, carcasa, etc.
3.2.2. Funcionamiento.
En este tipo de máquinas, uno de los dos devanados es recorrido por corriente continua, creando unos polos magnéticos permanentes. El otro devanado va con corriente alterna así la polaridad de cada polo cambia cíclicamente. Consideremos el esquema simplificado de la máquina síncrona de polos salientes trabajando como generador. En ella el rotor está alimentado por corriente continua produciendo dos polos permanentes.
Al girar el rotor a la velocidad n, se inducen fuerzas electromotrices en los arrollamientos de las tres fases del estator, que van desfasadas en el tiempo 120º existentes en las bobinas del estator. En este caso se consiguen corrientes en el inducido a la misma frecuencia que la rotación del eje. Este tipo de funcionamiento determina que para que el motor síncrono funcione debe girar a la velocidad síncrona, si esta velocidad varía ante una modificación súbita de la carga, el motor se parará. Asimismo este tipo de motores requieren de un motor auxiliar para su arranque, ya que deben estar girando a una velocidad muy próxima a la síncrona antes de su conexión.
3.2.3. Aplicaciones.
Su máxima aplicación está como generador de corriente alterna en centrales eléctricas.
La frecuencia de la red eléctrica en Europa es de 50 Herzios. Como la frecuencia depende de la velocidad y debe mantenerse constante para que sea posible el enlace entre las diversas centrales de un país, es preciso que los motores
El mismo alternador de una central eléctrica puede funcionar como motor síncrono, operación que se realiza en las centrales de bombeo, tomando energía eléctrica de la red y acumulando energía hidráulica aguas arriba de la presa.
Los motores síncronos se utilizan para grandes potencias, o cuando interesa una gran constancia de velocidad.
Tras los avances en materiales magnéticos se desarrollan los motores síncronos construidos sin devanados en la excitación, es decir a base de imanes permanentes en el rotor, con las ventajas de ausencia de anillos rozantes y escobillas y no hay calentamientos en el rotor bajando así las pérdidas.
En la actualidad se construyen motores síncronos con imanes permanentes hasta los 10 kilowatios.
Los puntos siguientes son conceptos que tienen que ver en el funcionamiento de las máquinas eléctricas.
4. Balance de potencias.
De la potencia total absorbida por la máquina de corriente alterna una parte de ella se pierde en el proceso de transformación. La potencia útil de una máquina es siempre menor que la potencia absorbida. Identificamos tres tipos de pérdidas.
1.- Pérdidas en el cobre originadas por efecto Joule en los conductores que forman los circuitos eléctricos de la máquina.
2.- Pérdidas en el hierro que pueden ser por histéresis de la energía que se pierde en forma de calor a causa de la magnetización cíclica del hierro o por corrientes de Foucault debidas a las corrientes inducidas en el hierro. Para reducir la pérdida por histéresis se emplea chapa ferromagnética de calidad y para reducir las pérdidas por corrientes parásitas, las partes del hierro se hacen con chapas de poco espesor aisladas entre si.
3.- Pérdidas mecánicas debidas al movimiento de las distintas partes de la máquina. Este tipo de pérdidas no existen en las máquinas estáticas o transformadores y pueden ser por rozamiento en cojinetes, escobillas o en con el aire.
La potencia que el motor absorbe de la red es P igual a número de fases m, por voltaje de fase por corriente de fase por coseno de fi, igual a esta expresión en trifásica
P = 3×U F × I F × cosϕ
El rendimiento de una máquina eléctrica es la relación que existe entre la potencia útil suministrada por la máquina y la potencia que absorbe para su funcionamiento.
5. Triángulo de potencias.
Se denomina así la relación entre la potencia activa, la potencia reactiva y la potencia aparente. La potencia activa es la que da trabajo y se mide en vatios. El producto de la tensión de la línea y la intensidad de línea da la potencia aparente. La componente real de la potencia aparente es la potencia activa y la parte imaginaria la potencia reactiva. De aquí
obtenemos el facto de potencia como coseno de fi cos ϕ , que indica la parte de potencia aparente que es activa. Para mejorar el factor de potencia colocamos condensadores en paralelo.
6. Conexión de motores trifásicos.
6.1. Conexión en estrella.
En la conexión en estrella las corriente de línea coinciden con las de fase, por tanto la tensión de fase es la tensión de línea entre raíz de 3. Y la potencia absorbida de la red en estrella es, P = 3 ×U F × I F × cosϕ
6.2. Conexión en triángulo.
En triángulo los voltajes de línea coinciden con los de fase, y se cumple que la intensidad de fase es la intensidad de I L I F = 
La potencia absorbida es P = 3×U F × I F × cosϕ igual que en estrella.
7. Arranque de motores trifásicos.
El arranque requiere un par superior a la carga pero no podemos elevarnos mucho en la corriente de arranque por eso hay distintas maneras de hacer el arranque. Veamos 5 tipos de arranque de motores.
1. En el Arranque directo, como su nombre indica no hay limitador de corriente por tanto se hace para motores de baja potencia.
2. En el Arranque estrella-triángulo, este arranque baja el voltaje de fase en el arranque para bajar la corriente.
Así en el arranque funciona en estrella y al rato pasa a triángulo, donde se usan contactores temporizados para el cambio.
3. En el arranque con resistencias estatóricas, se basa en conectar unas resistencias en serie con la bobina inductora para bajar la corriente de arranque.
4. El arranque con resistencias rotóricas, se utiliza en motores con el bobinado en el motor, donde se acopla unas resistencias en serie con este bobinado bajando la corriente de arranque.
5. El arranque con autotransformador, donde se conecta el inductor del motor a la red con un autotransformador para que en el arranque el voltaje sea bajo y va subiendo paulatinamente.
8. Regulación de la velocidad.
Para cambiar la velocidad en motores trifásicos se puede hacer o variando el número de polos del motor o la frecuencia de sincronismo. Lo más normal es cambiar en número de polos, con lo que los motores que usan este método son el motor Dahlander o el motor de 2 bobinados.
Otras maneras sería variando el deslizamiento o la frecuencia de la tensión del estator.
9. CONCLUSION.
En este tema se ha visto el funcionamiento básico y las características que tienen para poder así entender el funcionamiento de todas las máquinas que nos rodean.