6. Máquinas eléctricas. Definiciones, clasificación y principios básicos. Generadores síncronos. Campos magnéticos giratorios. Motores síncronos. Generadores de corriente continua. Motores de corriente continua y universales. Máquinas asíncronas o de inducción. Motores de inducción monofásicos. Características constructivas de las máquinas eléctricas. Tensiones inducidas en una máquina eléctrica. Pérdidas y rendimiento. Rectificación de corriente alterna. Electrotecnia. 2º ITOP. Curso 2010/11 Tema 6 - Pág. 1
6.1. Definiciones, clasificación y principios básicos. Una máquina eléctrica es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en otro tipo de energía, normalmente mecánica, o bien de nuevo en energía eléctrica pero con unas características distintas. En ellas además la energía se almacenará temporalmente en forma de campo magnético. Desde este punto de vista de las trasformaciones de energía se clasificarán en tres grandes grupos: generadores, motores y transformadores. Los generadores transforman energía mecánica en eléctrica, mientras que los motores transforman la energía eléctrica en mecánica haciendo girar un eje. Los transformadores, que ya se vieron en el tema anterior, conservan la forma de energía eléctrica- pero modificando sus características de tensión e intensidad. Desde una visión mecánica, las máquinas eléctricas se pueden clasificar en rotativas y estáticas. Las máquinas estáticas no disponen de partes móviles, como los transformadores. En las máquinas rotativas hay una parte fija llamada estator y una parte móvil giratoria llamada rotor. Desde un punto de vista electromagnético, una máquina eléctrica tendrá en general un circuito magnético y dos circuitos eléctricos. Un circuito eléctrico, el inductor, generará un campo magnético que a su vez provocará una corriente eléctrica en el segundo circuito, el inducido. Los circuitos eléctricos podrán ser de corriente continua o alterna senoidal. Las maquinas rotativas podrán girar con la velocidad angular de las tensiones eléctricas, y se llamarán síncronas, o bien a una velocidad diferente y variable, llamándose asíncronas. Los principios básicos en los que se apoya la transformación de energía eléctrica en magnética y esta a su vez en mecánica -y viceversa- se han visto en los temas anteriores. - Una corriente eléctrica por un conductor genera en su entorno un campo magnético. - Un dipolo magnético situado en el interior de un campo magnético sufrirá un momento o par de fuerzas que tenderá a orientarlo en la dirección del campo. - Un campo magnético variable en el tiempo induce en un conductor una fuerza electromotriz y, si se cierra el circuito, una corriente eléctrica. - Los materiales ferromagnéticos se utilizarán para dirigir los flujos magnéticos -y por tanto los energéticos- entre las diferentes partes de un sistema según nuestra conveniencia. En general las transformaciones de energía serán reversibles, y las mismas máquinas podrán convertir energía eléctrica en mecánica o hacer la función contraria. Una vez vistos los transformadores en el tema anterior, se estudiarán en este tema las máquinas rotativas dividiéndolas en tres grupos: máquinas de corriente continua, máquinas de corriente alterna síncronas, y máquinas de corriente alterna asíncronas o de inducción. Se estudiará también la forma de convertir tensión alterna en continua. Al igual que con los transformadores, para los motores y generadores eléctricos se podrá definir un circuito equivalente con impedancias, pero se sale de los objetivos de este curso estudiar esto. Electrotecnia. 2º ITOP. Curso 2010/11 Tema 6 - Pág. 2
6.2. Generadores síncronos. En los temas 3 y 4 se introdujo la forma de generar tensiones alternas haciendo girar una o varias bobinas eléctricas en el interior de un campo magnético (fig izquierda). La frecuencia de las tensiones será la de giro de las bobinas en el interior del campo. Sin embargo, en general la forma práctica de llevar esto a cabo será la opuesta. Un imán permanente, o un campo magnético generado por una corriente continua en un núcleo ferromagnético, se harán girar en el entorno de una (centro) o más bobinas (dcha.), típicamente tres, produciendo el mismo efecto. La máquina resultante genera tensiones con la frecuencia del giro del rotor, y se llamará por eso generador síncrono o alternador. La tensión que se puede generar con un imán permanente es limitada, para aumentarla se necesita un campo magnético mayor en el rotor, que se generará con un núcleo ferromagnético y un arrollamiento por el que circula una corriente continua. Con este método se podrá además formar un electroimán con más de dos polos, y tal como se ve en la figura, un giro de n grados geométricos le corresponderá una variación de np/2 grados siendo p el número de polos- en la fase de la tensión o grados eléctricos. El devanado inductor está en el rotor y el inducido en el estator. Para introducir, o extraer, corrientes eléctricas en el rotor, será necesario disponer anillos, normalmente de cobre, contra los que rozan otros materiales conductores escobillasgarantizando el contacto eléctrico. El conjunto de anillos se llamará colector. Electrotecnia. 2º ITOP. Curso 2010/11 Tema 6 - Pág. 3
6.3. Campos magnéticos giratorios. Motores síncronos. Si disponemos un estator con tres bobinas separadas 120º geométricos y hacemos circular por ellas las tres intensidades senoidales desfasadas 120º eléctricos de un sistema trifásico, tendremos tres campos magnéticos que varían senoidalmente. Se puede demostrar el campo magnético resultante de sumarlos es un campo de valor uniforme que gira en el espacio. Este enunciado se conoce como el teorema de Ferraris. Si disponemos en su interior un imán, sufrirá un par electromagnético que tenderá a orientarlo en la dirección del campo, y girará con él, a la velocidad de variación de las tensiones. Se llamará por ello motor síncrono. Al igual que con el generador, el par de giro que se puede obtener con un imán permanente es limitado, los motores síncronos tendrán un rotor ferromagnético con un devanado por el que circula una corriente continua. De este modo, formará un dipolo magnético, que sufrirá un par mecánico que tiende a orientarlo en el sentido del campo. Con frecuencia se realizarán diagramas desarrollando linealmente el rotor y el estator para estudiar los flujos y fuerzas magnéticas. El campo magnético giratorio que se ha visto es una ventaja de la distribución de energía con sistemas trifásicos. Al igual que en el caso de los generadores, el rotor podrá tener varios polos, y girar con una frecuencia múltiplo de la de las tensiones del inductor, que ahora es el estator. Invirtiendo las conexiones de dos de las bobinas, el campo magnético gira en sentido contrario, invirtiendo el sentido del rotor. Los motores síncronos se utilizan cuando es necesario controlar de manera precisa la velocidad de giro. Pueden utilizarse para mover una carga mecánica o para absorber potencia reactiva. Tanto para el motor como para el generador, será necesario disponer de una fuente de tensión continua para alimentar el inductor, por lo que será necesario un generador auxiliar o bien un dispositivo capaz de convertir la corriente alterna en continua. Electrotecnia. 2º ITOP. Curso 2010/11 Tema 6 - Pág. 4
6.4. Generadores de corriente continua. Si los anillos del colector vistos para el generador síncrono se sustituyen por uno único partido en sectores, que se llamarán delgas, es posible ir cambiando las conexiones y por tanto polaridad, a medida que gira el rotor. También pueden disponerse varia bobinas y cambiar la que está conectada a la salida en cada momento Al ir cambiando la polaridad, para el generador de la figura, se va cambiando la salida de tensión, para tener la de la izquierda. Si se dispone un mayor número de bobinas y de delgas, se puede generar una tensión más estable, como la de la derecha. En los generadores pequeños, como la dinamo de una bicicleta, el campo inductor estará generado por un imán permanente, pero para mayores potencias de generación, será necesario un campo generado por un devanado inductor en el estator. La corriente que alimenta el devanado inductor del estator puede ser la del propio generador, disponiendo los devanados en serie o en paralelo. El arranque se produce por un pequeño magnetismo permanente en rotor y estator. La pequeña variación de la salida, que representa la variación de las formas de onda de la figura y pequeños saltos que se producen en la conmutación de polos se llamará rizado- puede reducirse mediante el empleo de condensadores en paralelo en la salida, si bien en muchas aplicaciones no es importante. Electrotecnia. 2º ITOP. Curso 2010/11 Tema 6 - Pág. 5
6.5. Motores de corriente continua y universales. Si en el interior de un campo magnético uniforme hacemos circular una intensidad por una bobina, generaremos un dipolo magnético que sufrirá un par que tenderá a alinearlo con el campo de excitación. Si la espira está situada en un rotor y conectada a través de un colector de delgas, se pueden disponer de modo que cuando esté cercano a esta situación, el colector de delgas invierta el sentido de la corriente y por tanto el dipolo magnético, haciendo que el movimiento continúe. Los motores reales tendrán más de un devanado en el rotor, con un colector de delgas con mucho más segmentos de cobre. El campo principal podrá estar generado por un imán permanente, como sucede en los micromotores. Sin embargo, para potencias mayores, el campo inductor será generado por un devanado en el estator. La misma tensión aplicada al devanado del rotor a través de las delgas, será la que genere el campo inductor, pudiendo estar conectados ambos en serie o paralelo. El motor con excitación en paralelo tiene una velocidad prácticamente constante y un par proporcional a la intensidad por el inducido. El motor con excitación en serie tiene una velocidad en vacío y con carga muy diferente, y el par es proporcional al cuadrado de la intensidad. Además los motores así construidos pueden funcionar con tensión continua o alterna. Cuando cambie la polaridad de la alimentación, cambiarán los sentidos de ambos campos, y el par de giro mantendrá su sentido. El diseño sólo es práctico para los motores serie, porque la intensidad debe cambiar de dirección exactamente en el mismo momento para producir un par aceptable. Por ello se llamarán motores universales, siendo unos de los más utilizados, por ejemplo, en pequeños electrodomésticos. Electrotecnia. 2º ITOP. Curso 2010/11 Tema 6 - Pág. 6
6.6. Máquinas asíncronas o de inducción. El principio de funcionamiento de las máquinas asíncronas se basa en el campo magnético giratorio del teorema de Ferraris. Sin embargo, ahora el rotor no estará conectado eléctricamente ahora con el resto de la máquina, sino que las corrientes que aparecen en él serán inducidas por la acción del campo magnético variable del estator. En el caso más simple, el rotor estará constituido por una serie de barras conductoras paralelas cortocircuitadas mediante coronas circulares. Se llamará rotor en jaula de ardilla o simplemente jaula, y se comportará como una serie de espiras cerradas. Para entenderlo mejor se hará un desarrollo lineal de estator y rotor. Si el rotor está parado, en la espira el campo magnético variable del estator inducirá una corriente al modo de un transformador. Si el rotor gira a la velocidad de sincronismo la del campo giratorio- el campo magnético visto desde el rotor será constante, y no se inducirá en la espira ninguna corriente. Se definirá el deslizamiento s, como la diferencia entre la velocidad de giro del rotor n y la del campo giratorio o de sincronismo n s, en valor relativo a esta última. De acuerdo con lo visto, cuando el deslizamiento valga uno, la máquina se comportará como un transformador, y cuando valga cero, no se inducirá ninguna tensión en la espira. s ns n s n En las situaciones intermedias, el deslizamiento será una medida de la velocidad de giro del campo magnético visto por el rotor. En una situación intermedia se generarán tensiones en el rotor con frecuencia s f, siendo f la frecuencia de las corrientes del estator. f r Cuando el motor no tiene carga mecánica, gira a una velocidad cercana a la de sincronismo, con un deslizamiento próximo a cero. A medida que se carga el motor, aumenta el deslizamiento y se inducen corrientes mayores, y de mayor frecuencia, en su rotor. Las corrientes inducidas generan un dipolo magnético en el estator y un par mecánico igual al resistente. Electrotecnia. 2º ITOP. Curso 2010/11 Tema 6 - Pág. 7
Para deslizamientos entre 0 y 1, el funcionamiento de la máquina es el visto, como motor. Para velocidades de giro del rotor superiores a la del campo inductor de Ferraris, se producen deslizamiento negativos. Para que esto sea posible es necesaria una fuente de energía mecánica. El estator seguirá conectado a una red trifásica, y la máquina genera energía con la misma tensión y frecuencia que la del devanado inductor del estator. Este tipo de generadores es el que se utiliza en las máquinas eólicas. Cuando el viento es capaz de hacer girar el rotor a una velocidad superior a la de sincronismo, se conecta el sistema y se genera energía. 6.7. Motores de inducción monofásicos. En muchas instalaciones industriales, y sobre todo domésticas, no se dispone de corriente trifásica. En este caso se emplearán motores de inducción monofásicos. El estator estará constituido en general por dos devanados desplazados 90 geométricos, aunque también hay motores con un único devanado. El rotor estará constituido de nuevo por una jaula de ardilla. El hecho de que el campo magnético que genera el inductor no sea el giratorio uniforme visto para el motor trifásico, sino uno de dirección constante a intensidad variable tiene dos consecuencias importantes - El par comunicado al rotor no es constante. - El sentido de giro ya no está definido, pudiendo arrancar el motor en cualquier dirección. Cuando el flujo desde e a e aumenta, las tensiones inducidas en el rotor son las de la figura de la izquierda. Cuando disminuye, serán las de la derecha. Los dipolos magnéticos inducidos provocarán de nuevo un par de giro. Para definir un sentido de flujo, deberá introducirse algún tipo de asimetría en el flujo magnético. Puede hacerse con dos devanados, disponiendo en uno de ellos un condensador (motores de fase partida), o bien con una espira de cobre cerrada en el estator (motores con espira en sombra o cortocircuito). Electrotecnia. 2º ITOP. Curso 2010/11 Tema 6 - Pág. 8
6.8. Características constructivas de las máquinas eléctricas. Una máquina eléctrica rotativa consiste básicamente en un circuito magnético formado por un rotor, un estator y un entrehierro, y varios devanados situados en el estator y rotor. En el tema anterior se estudiaron los circuitos magnéticos y la forma de dirigir las energías y flujos magnéticos para optimizar la transformación de energía. Para ello se elegirán materiales con permeabilidades magnéticas elevadas. Para dirigir los flujos se construirán máquinas con columnas con devanados concentrados, que se llamarán de polos salientes (en estator o rotor) o bien con devanados distribuidos alojados en ranuras aprovechando toda la periferia de rotor o estator, que se llamarán de entrehierro uniforme. Tanto en un caso como en otro se podrán construir con un par de polos o más de uno. En el caso de devanados distribuidos en máquinas de entrehierro uniforme, el campo magnético generado y la fuerza magnetomotriz tienen una forma más parecida a una onda senoidal, lo que hará que la FEM inducida tenga también un carácter más senoidal. Los motores de corriente alterna además se producirán las pérdidas estudiadas para los transformadores por corrientes de Foucault, la solución será la misma, construir un núcleo de chapas apiladas y de baja conductividad eléctrica. Los devanados o bien la jaula de los motores asíncronos, estarán embutidos en esto materiales. Electrotecnia. 2º ITOP. Curso 2010/11 Tema 6 - Pág. 9
6.9. Tensiones inducidas en una maquina eléctrica. Las tensiones inducidas en una espira eléctrica girando en un campo magnético uniforme fueron vistas en el tema 3. BS cos t d d cos t E( t) BS BS sin t Emax. sin dt dt t Cuando en lugar de una espira se disponga una bobina, con el flujo magnético confinado en su interior en un material ferromagnético, el valor máximo de la tensión será ahora N veces el visto Emax NBS 2 N f y su valor eficaz valdrá 1 E 2 N f 4, 44N 2 f En donde la frecuencia para una máquina síncrona será la de sincronismo, y para el rotor de una máquina de inducción será tal y como se vió la de sincronismo multiplicada por el deslizamiento f r s f. El flujo se calculará con el circuito magnético correspondiente. En los modelos más sencillos se considerará que la permeabilidad del núcleo es infinita y la única reluctancia es la del entrehierro. En al caso de máquinas de polos salientes o bobinas únicas, el circuito se puede calcular a partir la fuerza magnetomotriz de una bobina simple En el caso de devanados distribuidos, tal y como se vio en el apartado anterior, el flujo se puede calcular utilizando la ley circuital de Ampère. Dibujando trayectorias cerradas, la fuerza magnetomotriz en el entrehierro será igual a la intensidad que encierra cada línea. Electrotecnia. 2º ITOP. Curso 2010/11 Tema 6 - Pág. 10
6.10. Pérdidas y rendimiento. Las transformaciones de energía vistas no son 100% reversibles, y una parte de la energía se pierde en forma de pérdidas mecánicas por rozamiento, a añadir a las pérdidas en el cobre y en el hierro vistas para los transformadores Para un generador la potencia de entrada será mecánica y la de salida eléctrica. Para un motor será al revés, pero el análisis que sigue y se deduce de la figura siguiente es el mismo. La potencia útil de salida será igual a la de entrada menos las pérdidas mecánicas, en el hierro y en el cobre. Las máquinas eléctricas se diseñan para una velocidad de giro y un flujo magnético variable dentro de un rango pequeño, por lo que estas pérdidas son más o menos constantes. Sin embargo las pérdidas en el cobre son proporcionales a la potencia útil de salida, de modo que puede escribirse la expresión del rendimiento (potencia útil / potencia de entrada) como Ps P e P u p mec Pu p Fe p Cu P u P p u 2 0 kpu Derivando esta expresión respecto a P u puede obtenerse que el rendimiento máximo se da 2 cuando p kp 0 u El valor de potencia nominal P N asignado a la máquina (y que aparecerá en su placa de características junto con su factor de potencia y otros datos) suele ser ligeramente superior al valor correspondiente al rendimiento máximo. Esto es así porque las máquinas suelen funcionar de manera estable por debajo de su valor nominal para admitir un cierto margen ante posibles sobrecargas. Electrotecnia. 2º ITOP. Curso 2010/11 Tema 6 - Pág. 11
6.11. Rectificación de corriente alterna. Cuando se estudiaron los materiales conductores y aislantes, se introdujo un nuevo grupo, los semiconductores, con propiedades intermedias, y lo más importante, manipulables según las necesidades. Uno de los dispositivos más sencillos y más utilizados de este tipo es el diodo. Su característica fundamental es que dejan circular la corriente únicamente en una dirección, cuando la polaridad de la tensión es la que indica la flecha de su símbolo. Los diodos se asociarán en conjuntos que aprovechan esta característica para convertir la corriente alterna monofásica y trifásica en continua. El primer caso se denomina un rectificador de media onda. Al igual que en el caso de la generación de corriente continua, el rizado puede reducirse con el empleo de un condensador en la salida. Los aparatos electrónicos utilizan internamente corriente continua, por lo que la primera etapa de todos ellos será un rectificador de corriente en el que un transformador baja la tensión de alimentación, un puente de diodos rectifica la corriente, y un condensador rebaja el rizado de salida. Electrotecnia. 2º ITOP. Curso 2010/11 Tema 6 - Pág. 12