Maquinas eléctricas Se puede definir una máquina eléctrica como cualquier dispositivo que realice una transformación de energía eléctrica, siempre y cuando medie en esta transformación un campo magnético. Las máquinas eléctricas se dividen en estáticas y rotativas; las estáticas son los transformadores que ya estudiamos en la UD9. Las rotativas como su nombre indica, disponen de una parte móvil susceptible de girar alrededor de un eje y, pueden ser motores o generadores de energía eléctrica. Máquinas eléctricas rotativas Las máquinas eléctricas rotativas son dispositivos reversibles, pueden funcionar como motor o como generador. En el siguiente esquema puedes ver que un motor absorbe energía eléctrica que transforma en energía mecánica (o energía de movimiento) y, un generador absorbe energía mecánica que transforma en eléctrica. En un motor por tanto, producimos movimiento a partir de la energía eléctrica de la red y, a un generador le producimos nosotros el giro (mediante una turbina hidráulica, una turbina de gas, un motor de gasoil, un molino de viento, etc.) para que este genera fem que alimenta a una red eléctrica. Desde el punto de vista constructivo y funcional, las partes constituyentes de las máquinas eléctricas son las siguientes: En el inducido son dos los efectos que puede producir el campo magnético y que ya estudiaste en la UD4 sobre electromagnetismo: Si por los conductores del inducido circula intensidad, se inducen en ellos fuerzas que producen el giro (motor) Si los conductores del inducido “ven” flujo variable, se induce en ellos fem (generador). ¿Cómo se corresponden el estator y el rotor con el inductor y el inducido? Esta correlación depende del tipo de máquina eléctrica. De todas formas la disposición más habitual es la siguiente: Motores eléctricos En el siguiente esquema puedes ver la gran variedad de motores eléctricos que existen hoy en día en el mercado. No obstante desde el punto de vista de su utilización en aplicaciones industriales, los líderes indiscutibles son los motores trifásicos de inducción (asíncronos), que estudiaremos en esta unidad. Estos motores se alimentan directamente en AC, tienen buen rendimiento, alta estabilidad, fácil conexionado y gracias a la electrónica de potencia desarrollada actualmente, se pueden realizar regulaciones de velocidad y accionamientos muy precisos. En aplicaciones de refrigeración y climatización se encargan del accionamiento de los compresores en los circuitos de fluido, tanto a nivel industrial y comercial (trifásicos) como doméstico (monofásicos). Los motores de AC síncronos debido a sus limitaciones en cuanto a regulación de velocidad, se utilizan solamente en aplicaciones industriales muy específicas. Una de ellas son las centrales hidráulicas de bombeo, en donde está máquina síncrona funciona alternativamente como generador y como motor. Los motores de corriente continua están quedándose obsoletos en la actualidad debido a las ventajas citadas de los motores de inducción, sobretodo desde los avances tecnológicos en cuanto a regulación de velocidad. El resto de motores se utilizan en aplicaciones muy concretas y normalmente en bajas potencias. Generadores eléctricos Motores trifásicos de inducción. Aspectos físicos Los motores como todas las máquinas eléctricas rotativas, presentan estator y un rotor. El estator es el responsable del campo magnético y en el rotor se plasman las consecuencias de la acción magnética. La configuración del devanado del estator y el tipo de rotor, diferencian los diversos tipos de motores e influyen en características tan importantes como la velocidad de giro, potencia, etc. El estator El estator de un motor de inducción es el inductor, es decir el encargado de crear el campo magnético. Está formado por: • Circuito magnético: tambor con forma cilíndrica y ranurado, formado de chapas de Fe aleado al Si, asiladas entre sí con Carlite, para reducir las pérdidas por corrientes parásitas. La misión de las ranuras es alojar a los conductores de los devanados. Circuito eléctrico: formado por tres devanados monofásicos que al conexionarlos en estrella o triángulo, forman un devanado trifásico. • En su concepción más elemental, estos devanados son tres bobinas desfasadas 120º. Cada bobina está formada por 2 conductores diametralmente opuestos (bobina de paso diametral) y el estator precisa entonces de 6 ranuras para alojarlos (Fig. 1). Fig. 1- Devanado estatórico elemental De esta forma se desaprovecha la capacidad del estator puesto que solamente son necesarias 6 ranuras para 3 bobinas. En los devanados reales la disposición es muy distinta: • • • el número de ranuras es normalmente 24, 36, 48, etc. las bobinas no son de paso diametral. cada devanado monofásico está formado de varias de estas bobinas conectadas en serie. Constructivamente las bobinas dependen del tipo de motor, diferenciando entre motores de BT (1000 V): • • Motores de BT: las bobinas son de hilo esmaltado, de tal forma que este baño aislante garantiza el aislamiento entre ellas. (Fig. x) Motores de MT: las bobinas son preformadas con pletinas de cobre aisladas con materiales orgánicos apropiados (poliamida, fibra de vidrio, etc.). Fig. 2 Motor de BT Devanado de hilo esmaltado Motor de MT Devanado de preformado Bobina preformada Cabeza de bobina Conductores de la bobina. Se alojan en las ranuras Extremos de bobina para conexiones Fig. 2- Devanados de hilo esmaltado y preformados. El rotor Es la parte giratoria y el inducido en los motores de inducción. Está formado por: • • Circuito magnético: formado de chapas de Fe aleado al Si, asiladas entre sí con Carlite, para reducir las pérdidas por corrientes parásitas. Circuito eléctrico: formado por un devanado trifásico. En función de la forma constructiva de este devanado, distinguimos entre rotor de jaula de ardilla y rotor bobinado. Rotor de jaula de ardilla La forma contractiva del devanado es realmente peculiar. Los conductores del rotor son barras de aluminio fundido, cortocircuitadas en sus extremos mediante anillos, que también son de aluminio. El conjunto forma una estructura que recuerda a una “jaula de ardilla”, de ahí su nombre. La jaula a su vez se encuentra embebida en la masa ferromagnética del rotor, que dispone de ranuras para alojar los conductores (Fig. 3). Fig. 3- Rotor de jaula de ardilla. Observa que el rotor de jaula de ardilla, no presenta conexiones eléctricas con el exterior, entonces ¿cómo es posible que circule intensidad por las barras rotóricas, sin conectarlas a ninguna toma de tensión? La respuesta la encontrarás más adelante. Se comprobó experimentalmente que el motor presenta menos vibraciones y más estabilidad si las barras rotóricas se inclinan respecto al eje de la jaula (Fig. 4). Existen además otras disposiciones constructivas, como los rotores de doble jaula o de ranuras profundas, para mejorar el par electromagnético suministrado por el motor en el arranque (Fig. 4). Fig. 4- Otros tipos de jaula de ardilla rotórica. Para que te hagas una idea más exacta del ensamblaje entre la carcasa del motor, el estator con sus ranuras y devanados y el rotor de jaula, puedes ver la Fig. 5 Fig. 5- Cortes de un motor de jaula de ardilla. Rotor bobinado o devanado Ante todo debes saber que este tipo de rotores está actualmente extinguiéndose y que el 95 % de los motores de inducción son actualmente de jaula de ardilla. No obstante no está de más que te “suene” por si acaso te encuentras con alguno (improbable). La principal diferencia es que los conductores provienen de un devanado trifásico de hilo esmaltado, similar a los devanados estatóricos. Un extremo de cada devanado se conecta en estrella y el otro se conecta con el exterior mediante tres anillos que rozan con tres escobillas. En el exterior hay que conectar en estrella mediante cables, para cerrar el circuito rotórico (Fig. 6). En vista de estas conexiones y del rozamiento anillos-escobillas, estos motores necesitan un mantenimiento del que carecen los de jaula. Fig. 6- Rotor bobinado: aspecto y circuito. En motores de rotor bobinado de gran potencia, se conectan durante el arranque resistencias al rotor, para aumentar el par de arranque, que posteriormente se cortocircuitan. Este sistema de arranque al igual que los motores de rotor bobinado, está actualmente obsoleto. Actividad 1 ¿Qué crees que pasaría si conectamos el estator a la red y se nos olvidan las conexiones rotóricas externas? Motores trifásicos de inducción. Funcionamiento y características Los motores de inducción presentan la particularidad de que las intensidades necesarias para producir fuerzas de giro, son inducidas en el rotor. Basta por tanto con conexionar el motor a la red eléctrica para obtener un campo magnético giratorio, y el resto del proceso viene por sí solo, lo cual facilita mucho la utilización y explotación de estos motores. La velocidad de giro del rotor y su capacidad para producir par de giro, van ligadas en la “curva de par” del motor. El campo magnético giratorio En los motores trifásicos de inducción el estator es la parte que crea el campo magnético y, en el rotor es donde se origina el par de fuerzas causante del giro. El estator está constituido por un devanado trifásico, es decir por tres devanados monofásicos desfasados 120º en el espacio. Al conectarse el devanado a una red trifásica equilibrada, las intensidades absorbidas son también trifásicas equilibradas. Esto da lugar a un campo magnético giratorio, que presenta las siguientes características: Su inducción magnética (B) es constante respecto al tiempo y, depende de la tensión y de la frecuencia de la red trifásica. Su número de polos depende de la configuración de las bobinas del devanado y del número de ranuras del estator. La velocidad de giro depende del número de polos del devanado estatórico y de la frecuencia de la red: NS = 60 ∗ f P donde: NS: velocidad del campo giratorio (vel. de sincronismo) en rpm. f: frecuencia en Hz. P: número de pares de polos del devanado estatórico. Ten en cuenta que el estator es la parte estática de la máquina y que por tanto no gira; lo que sí gira es el campo magnético creado por su devanado trifásico. En Fig. 7 puedes ver un campo magnético giratorio de un motor de 4 polos, donde los dos polos N están en color azul y en rojo los dos polos S. El conjunto se comporta como un imán giratorio. Observa como los polos penetran en el rotor. Fig. 7- Campo giratorio de 4 polos. La frecuencia de las redes eléctricas es en Europa 50 Hz, de tal forma que las velocidades de sincronismo más habituales de los motores de inducción son las siguientes: 2 polos 4 polos 6 polos 8 polos P=1 P=2 P=3 P=4 NS = 60 ∗ 50 = 3000(rpm) 1 60 ∗ 50 = 1500(rpm) NS = 2 60 ∗ 50 NS = = 1000(rpm) 3 60 ∗ 50 NS = = 750(rpm) 4 Supongamos un campo magnético de 4 polos, su velocidad de sincronismo es 1500 (rpm). Es fácil calcular que el tiempo que invierte en una vuelta son 40 (ms). En Fig. 8 puedes ver la posición de los polos de campo (2 norte y 2 sur) para los tiempos de 0, 10 ms (1/4 de vuelta) y 20 ms (media vuelta). Fig. 8- Movimiento de un campo giratorio de 4 polos y 1500 rpm. ¡Un devanado trifásico crea un campo giratorio de inducción magnética constante, cuyo número de polos depende de su diseño y cuya velocidad se llama “velocidad de sincronismo (NS)! Principio de funcionamiento Ya sabemos que existe un campo magnético giratorio, es decir un imán artificial “que da vueltas”. Pero, ¿para que nos sirve? Observa la Fig. 9. Fig. 9- Principio de funcionamiento. En ella puedes ver un imán y una manivela que nos permite hacerlo girar a una velocidad que llamaremos NS (vel. de sincronismo). Entre los polos del imán podemos ver a la izquierda una aguja imantada (otro imán) y a la derecha una pieza metálica. En ambos casos, si accionamos la manivela y giramos el imán, podemos observar como la pieza interior también gira a una velocidad que llamaremos Nr. Sin embargo hay una diferencia fundamental: 1. En el caso de la izquierda, la aguja imantada gira a la misma velocidad que el imán exterior, luego se cumple que Nr=NS. Se dice que hay sincronismo y tenemos un motor síncrono. 2. En el caso de la derecha, la aguja gira a menos velocidad que el imán exterior, luego se cumple que Nr