Máquinas Síncronas
Una máquina síncrona es una máquina eléctrica rotativa de corriente alterna cuya velocidad de rotación del eje y la frecuencia eléctrica están sincronizadas y son mutuamente dependientes.
Circuito Magnético de las Máquinas Síncronas
El circuito magnético de las máquinas síncronas está constituido por dos partes: una ubicada en el rotor y otra en el estator. A diferencia de las máquinas de corriente continua, la armadura está en la parte fija o estator y la culata en la parte móvil o rotor.
Circuito Magnético Fijo (Estator)
El circuito magnético fijo en la armadura está formado por el apilamiento de chapas magnéticas embutidas en la carcasa del estator. Está ranurado para alojar las bobinas del devanado indicado. Las ranuras pueden tener diferentes tamaños y formas en función del tipo y tamaño de la máquina.
Circuito Magnético Rotativo (Rotor)
El circuito magnético rotativo, ubicado en el rotor, también está constituido por chapas magnéticas apiladas y está destinado a alojar el devanado de excitación o inductor. Este circuito puede ser de dos tipos:
- De polos salientes: Se utilizan generalmente en máquinas de más de 2 polos, de gran potencia y tamaño, que van a girar a baja velocidad.
- Ranurado o de polos lisos: Se utilizan en máquinas de pequeña potencia o con bajo número de polos que van a girar a gran velocidad.
Diferencia entre Máquina Síncrona y Asíncrona
Los motores síncronos operan a una velocidad constante que está sincronizada con la frecuencia de la corriente eléctrica que los alimenta, mientras que los motores asíncronos tienen una velocidad que puede variar y no se sincroniza con la red eléctrica.
Aplicaciones de las Máquinas Síncronas
Se usan más comúnmente como generadores y se pueden encontrar en plantas de generación eléctrica hidráulicas, térmicas y nucleares.
Funcionamiento como Generador
Si se aplica una fuerza motriz y se alimenta el circuito de excitación con una fuente externa de VCD, se obtiene en sus bornes tensión alterna trifásica cuya frecuencia depende de la velocidad. Esto se puede conseguir de distintas formas: baterías o mediante un sistema de generación acoplada al propio eje de la máquina.
Funcionamiento como Motor
La máquina síncrona puede utilizarse como motor. Para ello, debe mantenerse la corriente de excitación y aplicar la alimentación al devanado.
Máquinas Asíncronas
Las máquinas asíncronas funcionan a una velocidad diferente a la de sincronismo. Su principal uso es como motor, aunque en la actualidad también se utilizan como generadores. Están formadas por un circuito magnético y dos circuitos eléctricos.
Circuito Magnético
El circuito magnético está formado por una parte fija en el estator y una móvil en el rotor. La armadura o estator es idéntico al de las máquinas síncronas. El rotor puede ser de dos tipos:
- Rotor en cortocircuito: No dispone de ranuras abiertas que permitan insertar bobinado, pero sí de un número determinado de barras rígidas que cierran en cortocircuito en sus extremos, formando un devanado.
- Rotor ranurado: Tiene ranuras en todo su entorno para poder alojar el devanado de bobinas.
Circuito Eléctrico de Máquina Asíncrona
Está formado por dos circuitos: uno en el rotor y otro en el estator. Si consideramos el funcionamiento como motor, el circuito inductor está ubicado en el estator y el inducido en el rotor.
- Inductor: Es idéntico al de las máquinas síncronas. Existen devanados de tipo monofásico y bifásico, pero la mayoría son trifásicos.
- Inducido: Es el circuito eléctrico ubicado en el rotor y puede ser de 2 tipos: de barras en cortocircuito.
Devanados en Máquinas de Corriente Alterna
Los devanados se ubican en:
- El rotor de la máquina síncrona, bien sea de polos salientes o de polos lisos.
- El rotor de máquinas asíncronas de polos lisos.
- El estator de máquinas asíncronas y síncronas, ya sea funcionando como motor o generador.
Tipos de Devanado
Existen dos tipos principales de devanados:
- Devanado tipo concentrado: Cada polo se forma con una única bobina arrollada sobre su pieza polar. Es el sistema más utilizado en las máquinas de corriente continua y se usa también en el devanado inductor de las máquinas asíncronas basadas en un rotor de polos salientes.
- Devanado distribuido: Utiliza ranuras por polo y fase, permitiendo un mejor aprovechamiento del núcleo de la máquina y optimizando su tamaño. Es el más utilizado para la construcción de los circuitos eléctricos en estatores de máquinas de corriente alterna.
Además, los devanados pueden ser:
- Concéntricos: Las bobinas de los grupos se construyen de forma concéntrica con diferentes tamaños.
- Excéntricos: Los grupos tienen las bobinas iguales.
Principio de Funcionamiento de las Máquinas de Corriente Continua
Si una espira o bobina se mueve en el interior de un campo magnético inductor, cortando líneas de fuerza, se induce una fuerza electromotriz que puede ser utilizada en el exterior mediante un sistema de conmutación denominado colector. En este caso, la máquina funciona como generador.
Si, por el contrario, por dicha bobina o espira se hace circular una corriente eléctrica, esta genera un campo magnético con diferente polaridad en cada uno de sus lados activos. Las máquinas de corriente continua son reversibles, ya que pueden transformar energía mecánica en eléctrica y viceversa, es decir, pueden trabajar como motor o generador.
Máquinas Eléctricas de Corriente Continua
Si la máquina dispone de varias bobinas y, por tanto, un mayor número de delgas, la conmutación permite que en todos los conductores que están enfrentados en un polo se induzca una fuerza electromotriz del mismo sentido. El par de fuerza se mantendrá constante, haciendo que gire de forma continua sobre su propio eje.
Constitución de Máquinas de Corriente Continua
Normalmente están formadas por un circuito magnético y dos circuitos eléctricos.
Circuito Magnético
Está formado por una parte fija ubicada en el estator y una parte móvil ubicada en el rotor. Sobre ellas se bobinan los dos circuitos eléctricos.
- Circuito Magnético Fijo: Está constituido por piezas o masas polares, tantas como polos tenga la máquina. El espacio de aire que existe entre las partes del circuito magnético se denomina entrehierro.
- Circuito Rotativo: Es un tambor cilíndrico de chapa magnética que se encuentra ranurado de forma axial.
Circuito Eléctrico
Está construido por dos partes: el inductor y el inducido.
- Circuito Inductor: Se encuentra alojado en el estator y bobinado sobre las piezas polares. Es el encargado de crear el campo magnético fijo que se induce sobre el circuito del rotor. Está constituido por bobinas, cuyo número es igual al número de polos que tiene la máquina. El número de polos debe ser siempre par y la polaridad debe ser alterna. El centro de cada uno de los polos se denomina eje polar, habiendo tantos como pares de polos tenga la máquina. El ángulo entre dos polos consecutivos siempre tiene que ser el mismo.
- Circuito Inducido: Se encuentra alojado en el rotor. Su devanado consta de numerosas bobinas en las ranuras del tambor y se encuentran conectadas al exterior a través del sistema de conmutación.
Elemento de Conmutación
Se encarga de conectar eléctricamente los devanados del inducido al circuito exterior y se denomina colector. Es el elemento que más desgaste sufre debido al movimiento de la máquina y, por lo tanto, es el que necesita más mantenimiento.
En sistemas de conmutación que pertenecen a máquinas de gran potencia, es accesible desde el exterior para su supervisión y comprobación sin necesidad de desmontar la máquina.
El Colector
Es un tambor formado por pequeñas láminas de cobre denominadas delgas. Las delgas están aisladas entre sí y también están aisladas de los otros elementos metálicos de la máquina mediante un material no conductor llamado mica o»mexicanit». Sobre el colector apoyan las escobillas, que son las encargadas de establecer la conexión eléctrica con el inducido a través de las delgas. Las escobillas son normalmente de grafito, aunque pueden ser fabricadas de latón.