Máquinas Eléctricas

Ingeniería electromecánica

Máquinas eléctricas

Profesor:

Ing. Arquímedes Ramírez Franco

Práctica 1


Alumno:

Oropeza Fuentes Raúl Mario

Acapulco, Gro; a 3 de Julio de 2015

Instituto Tecnológico de

Acapulco

Máquinas eléctricas Unidad 1: Generadores de corriente directa Práctica 1



Las máquinas eléctricas son el resultado de una aplicación inteligente de los

principios del electromagnetismo y en particular de la ley de inducción de Faraday.

Las máquinas eléctricas se caracterizan por tener circuitos eléctricos entrelazados.

Durante todo el proceso histórico de su desarrollo desempeñaron un papel rector

que determinaba el movimiento de tola la ingeniería eléctrica, merced a su

aplicación en los campos de la generación, transporte distribución y utilización de

la energía eléctrica. Las máquinas eléctricas realizan una conversión de energía

de una forma a otra, una de las cuales, al menos, es eléctrica. En base a este

punto de vista, estrictamente energético, es posible clasificarla en tres tipos

fundamentales:

Generador: que transforma la energía mecánica en eléctrica. La acción se

desarrolla por el movimiento de una bobina en un campo magnético, resultando

una fem inducida que al aplicarla a un circuito externo produce una corriente que

interacciona con el campo y desarrolla una fuerza mecánica que se opone al

movimiento. En consecuencia, el generador necesita una energía mecánica de

entrada para producir la energía eléctrica correspondiente.

Motor: que transforma la energía eléctrica en mecánica. La acción se desarrolla

introduciendo una corriente en la máquina por medio de una fuente externa, que

interacciona con el campo produciendo un movimiento de la máquina; aparece

entonces una fem inducida que se opone a la corriente y que por ello se denomina

fuerza contraelectromotriz. En consecuencia, el motor necesita una energía

eléctrica de entrada para producir la energía mecánica correspondiente.

Transformador: que transforma una energía eléctrica de entrada (de ca) con

determinadas magnitudes de tensión y corriente en otra energía eléctrica de salida

(de ca) con magnitudes diferentes.

Los generadores y motores tienen un acceso mecánico y por ello son máquinas

dotadas de movimiento, que normalmente es rotación; por el contrario, los

transformadores son máquinas eléctricas que tienen únicamente accesos

eléctricos y son máquinas estáticas.



Clasificación de las máquinas eléctricas

Máquina eléctrica

Tipo de corriente

CC Independiente

Generadores Dínamo con Serie

excitación Shunt o derivación

Compuesto

Independiente

Motores Motores con Serie

excitación Shunt o derivación

Compuesto

CA Monofásicos

Generadores Alternadores Trifásicos Polos lisos

Polos salientes Fase partida Jaula Condensador Espira de sombra. Inducción Repulsión Rotor Repulsión de arranque

devanado Repulsión inducción Motores Monofásico

Histéresis Reluctancia Imán permanente.

Síncronos

Polifásicos Inducción Jaula de ardilla Rotor devanado

Universal Síncronos



Generadores de corriente continua

Los generadores cc son comprados por sus voltajes, potencias nominales,

eficiencias y regulación de voltaje.

Todos los generadores están accionados por una fuente de potencia mecánica

denominada motor primario del generador. Un motor primario para un generador

de cc puede ser una turbina de vapor, un motor diésel o también un motor

eléctrico. Puesto que la velocidad del motor primario afecta el voltaje de salida del

generador, y las características de velocidad de los motores primarios pueden

variar ampliamente, es costumbre suponer que la velocidad de los motores

primarios es constante para comparar la regulación de voltaje y las características

de salida de los diferentes generadores.

Los generadores de cc son muy escasos en los sistemas de potencia modernos.

Incluso los sistemas de potencia cc como los de los automóviles utilizan

generadores ca más rectificadores para producir la potencia cc.. Estos

rectificadores pueden convertir la corriente de un sistema de corriente alterna en

corriente continua sin utilizar ninguna parte móvil. No obstante, el conocimiento de

los generadores de cd es importante porque representa una introducción lógica al

comportamiento de los motores de cc.

Existen cinco tipos principales de generadores cc, clasificados de acuerdo con la

manera de producir su flujo de campo:

1. Generador con excitación independiente: En un generador de excitación

independiente, el flujo de campo se obtiene de una fuente de potencia

separada del generador.

2. Generador serie: En un generador serie, el flujo de campo se produce

conectando el circuito de campo en serie con el inducido del generador.

3. Generación de derivación: En un generación en derivación, el flujo de

campo se obtiene conectando el circuito de campo directamente a través de

los terminales del generador.

4. Generador compuesto acumulartivo: En un generador compuesto

acumulativo están presentes tanto un campo en derivación como un campo

en serie y sus efectos son aditivos.

5. Generador compuesto diferencial. En un generador compuesto diferencial

están presentes tanto un campo en derivación como un campo de serie,

pero sus efectos se restan.

Estos tipos de generadores cc difieren en sus características en terminales

(voltaje-corriente) y, por tanto, en las aplicaciones para las cuales son adecuados.



Generadores con excitación independiente.

En los generadores cc en lugar de utilizar imanes permanentes para crear el

campo magnético, podemos utilizar un par de electroimanes, llamados polos de

campo, como se muestra en la figura 1. Cuando la corriente directa de campo de

un generador como ese es suministrada por una fuente independiente (como una

batería u otro generador, llamado excitador o exitatriz), se dice que el generador

es excitado independientemente. De esta manera, en la figura 1 la fuente de cc

conectada a las terminales a y b hace que fluya una corriente de excitación Ix. Si la

armadura es impulsada por un motor eléctrico o un motor de diesel, aparece un

voltaje Eo entre las terminales de escobillas x y y.

Es el tipo de excitación más antiguo y hoy se emplea únicamente en casos muy

especiales. El esquema básico de conexiones es el que se indica en la Figura 2,

donde se ha dispuesto de un reóstato en serie con el inductor para regular la

corriente de excitación.

Figura 2. Ensayo de vacío de un generador con excitación

independiente.

Figura 1.



Analizamos el circuito de la figura 3.

En el circuito equivalente,

𝐸𝑎 es la fem inducida en el devanado de la armadura;

𝑅𝑎 es la resistencia efectiva del devanado de la armadura, la cual también puede incluir una resistencia de cada escobilla;

𝐼𝑎 es la corriente de armadura;

𝑉𝑡 es el voltaje de salida;

𝐼𝐿 es la corriente de carga;

𝐼𝑓 es la corriente en el devanado de campo;

𝑅𝑓𝑤 es la resistencia en el devanado de campo;

𝑅𝑓𝑥 es la resistencia externa agregada en serie con el devanado del campo

para controlar la corriente en el campo;

𝑁𝑓 es el numero de vueltas por polo para el devanado del campo y

𝑉𝑓 es el voltaje de una fuente externa.

Las ecuaciones que definen la operación en estado estable son

𝑉𝑓 = 𝐼𝑓 (𝑅𝑓𝑤 + 𝑅𝑓𝑥) = 𝐼𝑓𝑅𝑓

Donde 𝑅𝑓 = (𝑅𝑓𝑤 + 𝑅𝑓𝑥)

𝐸𝑎 = 𝑉𝑡 + 𝐼𝑎𝑅𝑎

𝐼𝐿 = 𝐼𝑎

Voltaje en las terminales

𝑉𝑡 = 𝐸𝑎 − 𝐼𝑎𝑅𝑎

Figura 3.



Para determinar la curva de vacío se hace girar el rotor a velocidad constante,

manteniendo desconectada la carga, La corriente de excitación se va aumentando

gradualmente desde cero hasta el valor máximo permitido, anotando

simultáneamente la f.e.m. generada E. que se mide con ayuda de un voltímetro.

Generadores con excitación en serie.

Como su nombre lo indica, el devanado de campo de un generador serie está

conectado todo en serie con la armadura y el circuito externo, debido a que el

devanado del campo en serie tiene que conducir carga especificada,

generalmente tiene pocas vueltas de un conductor grueso.

El circuito equivalente de un generador series se ilustra en la figura 5.

Figura 4.

Figura 5.



El circuito equivalente de un generador serie se ilustra en la figura 6. Una

resistencia variable Rd, conocida como desviador para campo en serie, puede

conectarse en paralelo con el devanado del campo serie para controlar la corriente

que lo atraviesa y, por tanto también al flujo que produce.

Cuando el generador opera sin carga, el flujo producido por el devanado del

campo en serie es igual a cero. Por tanto, el voltaje en las terminales del

generador es igual a la fem inducida debido al flujo residual, Er. En cuanto el

generador entrega una corriente de carga, la fmm del devanado del campo en

serie produce un flujo que apoya al flujo residual. Por consiguiente, la fem inducida

Ea, en el devanado de la armadura es mayo cuando el generador entrega potencia

que cuando está sin carga. No obstante, el voltaje en las terminales, Vt es más

bajo que la fem inducida debido a

a) La caída de voltaje a través de la resistencia de la armadura, Ra, la

resistencia del devanado en campo en serie Rs.

b) La acción de desmagnetización por la reacción de la armadura.

Como las caídas de voltaje a través de las resistencias y la reacción de la

armadura son funciones de la corriente de carga, la fem inducida y también el

voltaje en las terminales dependen de la corriente de carga.

Figura 6.



Las ecuaciones que rigen su operación en estado estable son:

Donde 𝐼𝑠 es la corriente del devanado de campo en serie, 𝑅𝑠 es la resistencia del

campo devanado del campo en serie e 𝐼𝑑 es la corriente en la resistencia del devanado para el campo en serie, 𝑅𝑑.

Generadores con excitación Shunt o derivación.

Un generador con excitación en derivación es una máquina cuyo devanado de

campo en derivación está conectado en paralelo a las terminales de la armadura,

de modo que el generador puede ser autoexcitado (Figura 7). La ventaja principal

de esta conexión es que elimina la necesidad de una fuente externa de excitación.

La autoexcitación se logra cuando se pone en marcha un generador en derivación,

se induce un pequeño voltaje en la armadura, producido por el flujo remanente en

los polos. Este voltaje produce una pequeña corriente de excitación Ix en el campo

en derivación. La pequeña fmm resultante actúa en la misma dirección que el flujo

remanente, y hace que el flujo por polo aumente. El flujo incrementado aumenta

Eo, el cual incrementa Ix, ésta aumenta aún más el flujo, el cual incrementa aún

más Eo, y así sucesivamente. Este incremento progresivo continúa hasta que Eo



alcanza un valor máximo determinado por la resistencia del campo y el grado de

saturación. Vea la siguiente sección.

Sin carga, la corriente en la armadura es igual a la corriente del campo. Con

carga, la corriente en la armadura suministra la corriente de carga y la corriente de

campo.

El generador shunt es capaz de crecer el voltaje en las terminales en tanto

permanezca algún flujo residual en los polos del campo.

El esquema de conexiones de este generador es mostrado en la figura 8; en este

caso el devanado inductor está conectando en paralelo con el inducido, y se

regula la excitación por medio de un reóstato conectado en serie con el inductor.

Figura 7.

Figura 8.



Análisis del circuito del generador Shunt.

Las ecuaciones que rigen la operación de un generador shunten estado estable son las siguientes.

El voltaje en las terminales de un generador en derivación autoexcitado disminuye

más abruptamente al incrementarse la carga que el de un generador con

excitación independiente. La razón es que la corriente de campo en una máquina

con excitación independiente permanece constante, mientras que en un generador

autoexcitado la corriente de excitación se reduce a medida que el voltaje en las

terminales se reduce. En un generador autoexcitado, la caída de voltaje sin carga

y a plena carga es aproximadamente de 15 por ciento del voltaje a plena carga,

mientras que en un generador con excitación independiente casi siempre es de

menos de 10 por ciento. Se dice que la regulación de voltaje es de 15 y 10%,

respectivamente.

Figura 9.



Generadores con excitación compuesta o compound (conmutativo y

diferencial).

Las características de descenso de un generador shunt y el de ascenso de un

generador serie brinda la motivación suficiente para teorizar acerca de la

posibilidad de una característica externa mejor con la fusión de los dos tipos de

generadores juntos es como transformar dos generadores en uno solo con buen

comportamiento.

El generador compuesto fue desarrollado para evitar que el voltaje en las

terminales de un generador de cd disminuyera al incrementarse la carga. Por lo

tanto, aun cuando en general se puede tolerar una caída razonable del voltaje en

las terminales conforme se incrementa la carga, éste es un efecto serio en

circuitos de iluminación. Por ejemplo, el sistema de distribución de un buque

suministra energía tanto a maquinaria de cd como a lámparas incandescentes. La

corriente suministrada por el generador fluctúa continuamente, en respuesta a las

cargas variables. Estas variaciones de corriente producen cambios

correspondientes en el voltaje en las terminales del generador, lo que provoca que

las luces parpadeen. Los generadores compuestos eliminan este problema.

Un generador compuesto (Figura 10) es similar a un generador en derivación,

excepto que tiene bobinas de campo adicionales conectadas en serie a la

armadura. Estas bobinas de campo en serie se componen de varias vueltas de

alambre grueso, suficientemente grande para transportar la corriente de la

armadura. Por ello, la resistencia total de las bobinas en serie es pequeña.

Cuando el generador funciona sin carga, la corriente de las bobinas en serie es

cero. Las bobinas en derivación, sin embargo, transportan corriente de excitación

Ix, la cual produce el flujo en el campo, justo como en un generador en derivación

autoexcitado estándar. A medida que el generador se carga, el voltaje en las

terminales tiende a disminuir, pero ahora la corriente de carga Ic fluye a través de

las bobinas de campo en serie.

Figura 10. Generador

compuesto bajo carga. El voltaje

en las terminales permanece

prácticamente constante en

condiciones sin carga y a plena

carga.



La fmm desarrollada por estas bobinas actúa en la misma dirección que la fmm del

campo en derivación. Por consiguiente, el flujo en el campo bajo carga se eleva

por encima de su valor original sin carga, el cual eleva el valor de Eo. Si las

bobinas en serie están diseñadas de manera adecuada, el voltaje en las

terminales permanece prácticamente constante en condiciones sin carga y a plena

carga.

En la figura 11 se representa el esquema de circuito de este tipo de generador,

que puede hacerse con corta o larga derivación. Generalmente las fmm de los

devanados serie y derivación suelen ser del mismo signo.

Cuando el devanado del campo shunt se conecta directamente en las terminales

de la armadura, se llama generador shunt corta, En un generador de este tipo

(figura 12), el devanado del campo en serie lleva la corriente de carga en ausencia

de una resistencia desviadora para el campo. Se dice que un generador es shunt

en derivación larga si el devanado de campo shunt se conecta en paralelo con la

carga.

Figura 11. Generador compound

Figura 12.



Ecuaciones fundamentales que rigen el comportamiento en estado estable de los

generadores shunt en derivación corta y shunt en derivación larga

respectivamente.

Figura 13.

Figura 14. Comparación de los

voltajes en las terminales

ajustado para valor especificado

en los diferentes generadores de

cc.



Motores de corriente continua

Un motor de c.c transforma una energía eléctrica de entrada en una energía

mecánica de salida. Esencialmente consiste en un dínamo trabajando en régimen

inverso, lo que está de acuerdo con el principio de reciprocidad electromagnética

formulado por Faraday y Lenz.

Los motores de cc se usan extensamente en sistemas de control, como equipos

de posicionamiento, debido a que tanto su velocidad como su par pueden

controlarse con precisión en un rango muy amplio. Por supuesto, un motor de cc

es la elección lógica cuando se dispone de una fuente de energía cc.

La unidad nominal para especificar la potencia de salida de un motor de cc es el

caballo de potencia (1hp=746 W). Los motores de cc se constituyen en tamaños

que varían de las fracciones de caballo de potencia a más de 1 000 caballos de

potencia. Algunas de las aplicaciones de motores de cc incluyen automóviles,

barcos, aviones, computadoras, impresoras, robots, afeitadoras eléctricas,

juguetes. Grabadoras de cintas de audio y video, trenes subterráneos, tranvía,

equipos de laminación, gras, troqueladoras y montacargas.

Motor con excitación independiente.

Los esquemas de conexiones para el arranque y regulación de velocidades de un

motor excitado independientemente (figura 15), los circuitos del inductor y del

inducido se alimentan de fuertes de fuentes distintas.

Figura 15. Motor de excitación independiente



Motor serie.

En un motor en serie, el devanado del campo se conecta en serie con el circuito

de la armadura, como se muestra en la figura 17, donde también se incluye una

resistencia externa en serie con la armadura que pueda usarse para arrancar el

motor y después cortocircuitarse, o bien para controlar la velocidad del motor.

Conforme aplica la carga al motor, el par que desarrolla debe crecer. El

incremento en el par necesita que la corriente de armadura aumente. El

incremento en la corriente de armadura ocasiona un incremento en la caída de

voltaje a través de las resistencias del circuito de la armadura, del devanado de

campo y la externa. Para un voltaje fijo aplicado, la fem debe disminuir con la

carga. Como la fuerza contraelectromotriz en el motor es proporcional a la

corriente de la armadura y el par que desarrolla un motor serie es proporcional al

cuadrado de la corriente de la armadura en la medida que el motor opera en la

región lineal. Conforme se aumenta la corriente en la armadura, también lo hace el

flujo producido por ella (figura 18).

Figura 17.

Figura 18.



El motor en serie puede soportar elevadas cargas, esto constituye su más valiosa

propiedad. Al disminuir el par resistente, el motor reduce lentamente su consumo

de corriente, aunque su velocidad se eleva rápidamente y, para cargas inferiores

al 25 % de la asignada, esta velocidad adquiere valore peligrosos para la

integridad del motor. Por esta razón el motor serie no debe ser arrancado en vacío

o con una carga pequeña.

La propiedad tan valiosa de este motor lo hace apropiado para la tracción

eléctrica: trenes, tranvías, trolebuses y también grúas donde son necesarios altos

pares a bajas velocidades y viceversa. La regulación de velocidades de estos

motores se realiza solamente por control de la tensión aplicada al motor.

Motor shunt.

En la figura 20 se presenta el circuito equivalente de un motor shunt con una

resistencia de arranque en un circuito en la armadura. El devanado de campo se

conecta directamente a la fuente. Si el voltaje es constante, el flujo que crea el

devanado de campo es constante.

Figura 15.

Figura 19.



Cuando se incrementa la carga del motor tiene lugar los cambios siguientes.

a) La corriente de armadura Ii incrementa para satisfacer la demanda del

aumento de carga.

b) Aumenta la caída de voltaje a través de la resistencia Ri del circuito de

armadura.

c) Para un voltaje de fuente fija, la fuerza contraelectromotriz Ei disminuye.

d) Puesto que el flujo es constante cuando la reacción de armadura es

despreciable, la disminución de la fuerza contraelectromotriz del motor se

acompaña de un crecimiento en su velocidad (figura 21).

Con el incremento en la corriente de la armadura la reacción se vuelve más

significativa si el motor no se compensa por ello. El aumento en la reacción de

armadura, disminuye el flujo de corriente en el motor, lo que a su vez ocasiona un

aumento en su velocidad.

Figura 20. Motor de excitación con derivación o shunt.

Figura 21.



La característica par-velocidad para un motor shunt, establece que la velocidad se

incrementa conforme disminuye la carga del motor. También se aprecia que la

potencia que desarrolla la máquina como función de su velocidad. Es posible

demostrar que la potencia que desarrolla un motor shunt es máxima cuando su

velocidad es igual a 0.5ω.

Motor compuesto o compound.

El esquema de conexiones de este motor está indicado en la figura 23. La

corriente del devanado de rivación es constante, mientras que la intensidad del

arrollamiento serie aumenta con la carga; de esta forma, se obtiene un flujo polo a

polo que aumenta también con la carga, pero no tan rápidamente como en el

motor serie.

Figura 22.

Figura 23.



Un motor compound puede conectarse como motor shunt en derivación corta o

como motor shunt en derivación larga. En un motor shunt en derivación larga, el

devanado del campo shunt se conecta directamente al suministro, como se

muestra en la figura 24b. Por tanto, el flujo que crea el devanado del campo shunt

es constante para cualquier condición de carga. Por otro lado, el devanado del

campo shunt de un motor compound en derivación corta se conecta en paralelo

con las terminales de la armadura, como en la figura 24a.

Las características de un motor compound son una combinación de las de un

motor shunt y las de un motor serie. A medida que se incrementa la carga en un

motor compound, ocurre la secuencia de cambios siguientes.

1. El flujo total aumente/disminuye debido al incremento en la corriente

del devanado en serie para un motor compound

cumulativo/difernecial.

2. El aumento/disminución en el flujo con un incremento en la corriente

de la armadura ocasiona que el par aumente/disminuya a una tasa

más rápida en un motor compound cumulativo/diferencial que en un

motor shunt.

3. El incremento/disminución del flujo acompañado por el aumento en

la caída de voltaje a través de las resistencias del circuito de la

armadura y del devanado del campo en serie ocasionan que la

velocidad del motor disminuya/aumente con más rapidez que un

motor shunt. (figura 25).

Figura 16. Figura 24.



En un motor compound diferencial el flujo disminuye con el incremento en la

corriente de armadura. Por tanto, existen ciertas posibilidades de que el motor

compound diferencial alcance una velocidad peligrosamente alta conforme el flujo

originando por el devanado del campo en serie se aproxima al flujo creado por el

devanado del campo shunt.

Un motor compound cumulativo tiene una velocidad definida sin carga, de modo

que no se desboca como un motor en serie cuando se elimina la carga. También

desarrolla un par de arranque elevado cuando la carga se incrementa de forma

súbita. Esto lo hace apropiado para aplicaciones como trenes de laminación,

cizalladoras y troqueladoras; también se prefiere para aplicaciones (como grúas y

elevadores) que

a) Requieran un par de arranque elevado,

b) Sean susceptibles a cambios rápidos de carga y

c) Enfrenten la posibilidad de pasar de la condición de plena carga a otra sin

carga.

Figura 25.

Figura 26.



Generadores de corriente alterna.

Los generadores de corriente alterna (ca) suelen recibir el nombre de generadores

síncronos o alternadores. Una máquina síncrona, ya sea generador o motor, opera

a velocidad síncrona, es decir, a la velocidad a la que gira el campo magnético

creado por las bobinas de campo.

𝑁𝑠 =120𝑓

𝑃 (rpm)

Donde 𝑓 es la frecuencia en Hertz y P es el número de polos en la máquina.

Para un generador tetrapolar genera energía a 60 Hz, su velocidad de rotación

debe ser de 1800 rpm. Por otro lado, un motor síncrono que opere a partir de una

fuente de 50 Hz gira a sólo 1500 rpm. Cualquier intento de sobrecarga el motor

síncrono podría sacarlo de sincronía forzarlo a detenerse.

Alternador.

Un alternador es una máquina eléctrica, capaz de transformar energía mecánica

en energía eléctrica, generando una corriente alterna mediante inducción

electromagnética.

Los alternadores están fundados en el principio de que en un conductor sometido

a un campo magnético variable se crea una tensión eléctrica inducida cuya

polaridad depende del sentido del campo y el valor del flujo que lo atraviesa.

Un alternador de corriente alterna funciona cambiando constantemente la

polaridad para que haya movimiento y genere energía. En el mundo se utilizan

alternadores con una frecuencia de 50 Hz (Europa,.. ) o 60 Hz (Brasil, Estados

Unidos, ...), es decir, que cambia su polaridad 50 o 60 veces por segundo.

Alternador monofásico.

El estudio de un generador de corriente directa (cd) tiene que iniciarse con un

conocimiento del generador de corriente alterna (ca). La razón es que el voltaje

producido en cualquier generador cd es inherentemente alterno y sólo se

transforma en cd una vez que ha sido rectificado por el conmutador. La figura 4.1

muestra un generador ca elemental compuesto de una bobina que gira a 60 r/min

entre los polos N, S de un imán permanente. La rotación es producida por una

fuerza propulsora externa, como un motor (no se muestra). La bobina está

conectada a dos anillos colectores montados en el eje. Los anillos colectores



están conectados a una carga externa por medio de dos escobillas estacionarias x

y y.

Conforme gira la bobina, se induce un voltaje entre sus terminales A y D. Este

voltaje aparece entre las escobillas y, por consiguiente, a través de la carga. El

voltaje se genera porque los conductores de la bobina atraviesan el flujo producido

por los polos N, S. Por lo tanto, el voltaje inducido es el máximo (unos 20 V)

cuando la bobina está momentáneamente en la posición horizontal, como se

muestra. Ningún flujo es atravesado cuando la bobina está momentáneamente en

la posición vertical; de este modo, el voltaje es cero en estos instantes. Otra

característica del voltaje es que su polaridad cambia cada vez que la bobina

realiza una media vuelta. Por ello, el voltaje se puede representar como una

función del ángulo de rotación (Figura 28). La forma de onda depende de la forma

de los polos N, S. Asumimos que éstos fueron diseñados para generar la onda

sinusoidal mostrada.

Figura 27.

Figura 28.



La bobina de este ejemplo gira a una velocidad uniforme, por lo que cada ángulo

de rotación corresponde a un intervalo de tiempo específico. Como la bobina da

una vuelta por segundo, el ángulo de 360° de la figura 28 corresponde a un

intervalo de un segundo. Por lo tanto, también podemos representar el voltaje

inducido como una función del tiempo (Fig. 29).

Los generadores ca y cd están construidos básicamente de la misma manera. En

cada caso, una bobina gira entre los polos de un imán y se induce un voltaje de ca

en ella. Las máquinas sólo difieren en la forma en que las bobinas están

conectadas al circuito externo (Fig. 30): los generadores ca llevan anillos

colectores (Fig. 30b), en tanto que los generadores cd requieren un conmutador

(Fig. 30a). En ocasiones se construyen máquinas pequeñas con anillos colectores

y un conmutador (Fig. 30c). Tales máquinas pueden funcionar al mismo tiempo

como generadores ca y cd.

Figura 29.

Figura 30.



Alternador trifásico.

Desde un punto de vista eléctrico, el estator de un generador síncrono es idéntico

al de un motor de inducción trifásico. Se compone de un núcleo cilíndrico laminado

que contiene un conjunto de ranuras que portan un devanado trifásico imbricado.

El devanado siempre está conectado en Y y el neutro está conectado a tierra. Se

prefiere una conexión en Y a una delta porque

1. El voltaje por fase es de sólo 1/√3 o 58% del voltaje entre líneas. Esto

significa que el voltaje más alto entre un conductor del estator y el núcleo

de éste conectado a tierra es de sólo el 58% del voltaje de línea. Por

consiguiente, podemos reducir la cantidad de aislante en las ranuras, lo

que, a su vez, nos permite incrementar el diámetro de los conductores. Un

conductor más grande nos permite incrementar la corriente y, por ende, la

salida de potencia de la máquina.

2. Cuando un generador síncrono está sometido a carga, el voltaje inducido

en cada fase se distorsiona y la forma de onda deja de ser sinusoidal. La

distorsión se debe principalmente a un indeseado voltaje de tercer armónico

cuya frecuencia es tres veces la frecuencia fundamental. Con una conexión

en Y, los armónicos de línea a neutro distorsionantes no aparecen entre las

líneas porque se cancelan entre sí. Por consiguiente, los voltajes de línea

permanecen sinusoidales en todas las condiciones de carga.

Desafortunadamente, cuando se utiliza una conexión delta, los voltajes

armónicos no se cancelan, sino que se acumulan. Como la conexión delta

es cerrada, producen una corriente circulante de tercer armónico, la cual

incrementa las pérdidas eléctricas 𝐼2𝑅. El voltaje de línea nominal de un

generador síncrono depende de su capacidad de kVA. En general, mientras

más grande es la capacidad de potencia, más alto es el voltaje. Sin

embargo, el voltaje nominal entre lí- neas rara vez excede los 25 kV porque

el aislamiento incrementado en las ranuras ocupa un valioso espacio a

expensas de los conductores de cobre.

El alternador trifásico, como su nombre lo indica, tiene tres devanados

monofásicos espaciados de modo tal que el voltaje en cualquiera de las fases

está desplazado 120 ̊ de las otras dos. Un diagrama esquemático del estator

trifásico mostrando todas las bobinas sería muy complejo y es muy difícil ver lo

que realmente está sucediendo. El esquema simplificado de la figura 31, vista A,

muestra todas las bobinas de cada fase agrupadas como una sola. El rotor se ha

omitido por simplicidad. Las ondas de voltaje generadas a través de cada fase

están dibujadas sobre el gráfico, desfasadas 120 ̊ respecto a las demás. El

alternador trifásico que se muestra en este esquema se compone de tres



alternadores monofásicos que generan voltajes desfasados entre sí 120 ̊. Las tres

fases son independientes de las otras.

En vez de tener seis cables saliendo del alternador trifásico, se pueden conectar

juntas tres fases para formar una conexión estrella (Y), como la que se muestra en

la Figura 31, vista B. Es llamada conexión estrella (Y) porque, sin el neutro, los

devanados se asemejan a la letra Y que en este caso está hacia un lado o

invertida. El neutro es llevado a una terminal cuando se necesita alimentar una

carga monofásica. Se puede obtener voltaje monofásico desde el neutro hasta A,

desde el neutro hasta B y desde el neutro hasta C. En un alternador trifásico

conectado en Y, el voltaje total, o voltaje de línea, a través de cualquiera de los

cables de tres líneas es la suma vectorial las voltajes de las fases individuales. El

voltaje de cada línea es 1.73 veces el voltaje de la fase.

Debido a que los devanados forman solo un camino para el flujo de corriente entre

fases, la corriente de línea y la de fase son las mismas (iguales). Un estator

trifásico puede también ser conectado de modo que las fases estén conectadas

final a final; este tipo de conexión se conoce como conexión en delta (figura 31,

vista C). (Delta porque luce como la letra griega, Δ).

En la conexión delta, los voltajes de línea son iguales a los voltajes de fase, pero

cada corriente de línea es igual a 1,73 veces la corriente de fase. Tanto la

conexión Y como la Δ son usadas en alternadores. La mayoría de los alternadores

usados actualmente son trifásicos. Son mucho más eficientes que los bifásicos o

monofásicos.

Figura 31.



Rotor polos lisos y polos salientes.

Las máquinas síncronas, al igual que los demás tipos de máquinas eléctricas,

están constituidas por dos devanados independientes:

a) Devanado inductor, constituido en forma de arrollamiento concentrado o

bien distribuido en ranuras, alimentado por corriente continua, que da lugar

a los polos de la máquina.

b) Un devanado inducido distribuido formando un arrollamiento trifásico

recorrido por corriente alterna.

En las máquinas pequeñas, para potencias que no superan los 10 kVA, el

devanado inductor se coloca normalmente en el estator, en forma concentrada,

sobre expansiones magnéticas denominadas polos salientes, estando situado el

inducido en el rotor, formado generalmente tres fases, las cuales tuenen salidas al

exterior por medio de tres anillos, como se muestra en la figura 32.

En las máquinas síncronas grandes, que para el caso de alternadores, pueden

llegar a 1 000 – 1 500 MVA, la colocación de los devanados es inversa a la

anterior, de tal forma que los polos quedan situados en el rotor y el devanado

trifásico en el estator, En esta situación la estructura del rotor se fabrica en dos

versiones distintas, ya sea en forma de polos salientes, ya sea en forma de

polos lisos o rotor cilíndrico.

Figura 32.



Rotores cilíndricos.

Es bien sabido que las turbinas de vapor de alta velocidad son más pequeñas y

más eficientes que las de baja velocidad. Lo mismo sucede con los generadores

síncronos de alta velocidad. Sin embargo, para generar la frecuencia requerida no

podemos utilizar menos de dos polos y esto fija la velocidad más alta posible. En

un sistema de 60 Hz es de 3600 r/min. La siguiente velocidad más baja es de

1800 r/min, que corresponde a una máquina de 4 polos. Por consiguiente, estos

generadores de turbina de vapor poseen ya sea 2 o 4 polos. El rotor de un

generador de turbina es un cilindro largo y sólido de acero que contiene una serie

de ranuras longitudinales fresadas en la masa cilíndrica (Figura 34).

Figura 33.

Figura 34.



Se utilizan bobinas de campo concéntricas, firmemente insertadas en las ranuras y

retenidas por anillos extremos de alta resistencia,* para crear los polos N y S. La

alta velocidad de rotación produce grandes fuerzas centrífugas, las cuales

imponen un límite máximo en el diámetro del rotor. En el caso de un rotor que gira

a 3600 r/min, el límite elástico del acero requiere que el fabricante limite el

diámetro a un máximo de 1.2 m. Por otra parte, para construir los poderosos

generadores de 1 000 MVA a 1 500 MVA, el volumen de los rotores tiene que ser

grande. En consecuencia, los rotores de alta potencia y alta velocidad tienen que

ser muy largos (figura 35).

Figura 35.



Rotor polos salientes.

La mayoría de las turbinas hidráulicas tienen que girar a bajas velocidades (entre

50 y 300 r/min) para extraer la máxima potencia de una cascada. Como el rotor

está directamente acoplado a la rueda hidráulica, y como se requiere una

frecuencia de 50 o 60 Hz, se necesita un gran número de polos en el rotor. Los

rotores de baja velocidad siempre tienen un gran diámetro a fin de proporcionar el

espacio necesario para los polos. Los polos salientes están montados en un gran

armazón circular de acero, el cual está fijo en un eje vertical rotatorio (Figura 37).

Figura 36.

Figura 37.



Para garantizar un buen enfriamiento, las bobinas de campo están hechas de

barras de cobre desnudo, con las vueltas aisladas entre sí por tiras de mica. Las

bobinas están conectadas en serie, con polos adyacentes de polaridades

opuestas. Además del devanado de campo de cd, con frecuencia se agrega un

devanado de jaula de ardilla, insertado en las caras polares. En condiciones

normales, este devanado no transporta corriente porque el rotor gira a velocidad

síncrona. Sin embargo, cuando la carga en el generador cambia de repente, la

velocidad del rotor comienza a fluctuar y se producen variaciones de velocidad

momentáneas por encima y por debajo de la velocidad síncrona. Esto induce un

voltaje en el devanado de jaula de ardilla que hace que fluya una gran corriente

adentro de él. La corriente reacciona con el campo magnético del estator y

produce fuerzas que amortiguan las oscilaciones del rotor. Por esta razón, el

devanado de jaula de ardilla también se conoce como devanado amortiguador. El

devanado amortiguador también tiende a mantener equilibrados los voltajes

trifásicos entre las líneas, aun cuando las corrientes sean desiguales debido a las

condiciones de carga desequilibrada.

Ventajas del inducido fijo.

La adopción de las forma constructivas indicadas para máquinas de gran potencia

presenta diversas ventajas frente a la forma mostrada en la figura 32. Por una

parte, un inducido giratorio (figura 32) requiere tres anillos (caso de máquinas

trifásicas) para recoger la tensión generada y enviarla al circuito exterior, estos

anillos deben estar más o menos descubiertos y son difíciles de instalar,

especialmente para las tensiones elevadas de 6 600 a 30 000 V a las que

funcionan normalmente las máquinas síncronas; además, estos anillos suelen

producir perturbaciones debidas a chispas, cortocircuitos, etc.; sin embargo, un

inducido fijo, no necesita anillos y sus conductores pueden llevar un aislamiento

continuo desde las espiras hasta las barras del cuadro de salida.

Figura 38.



Motores de corriente alterna.

Se denomina motor de corriente alterna a aquellos motores eléctricos que

funcionan con este tipo de alimentación eléctrica. Un motor es una máquina

motriz, esto es, un aparato que convierte una forma determinada de energía en

energía mecánica de rotación o par. Un motor eléctrico convierte la energía

eléctrica en fuerzas de giro por medio de la acción mutua de los campos

magnéticos.

Motor monofásico.

Un motor que opera con una fuente monofásica se llama motor de inducción

monofásico, y sólo requiere un devanado monofásico para mantener al motor en

movimiento. No obstante, un motor con esas características no arranca por sí

mismos, por ende debe proveérsele algún medio externo para que lo haga.

Los motores monofásicos son los motores eléctricos más conocidos porque se

utilizan en aparatos domésticos y herramientas portátiles. En general se emplean

cuando no se dispone de potencia trifásica.

Existen muchos tipos de motores monofásicos en el mercado, cada uno diseñado

para satisfacer una aplicación específica. Sin embargo, limitaremos nuestro

estudio al motor de inducción de fase dividida ampliamente utilizado.

Figura 39.



Para que un motor de inducción arranque por sí mismo debe tener al menos dos

devanados de fase espaciados en cuadratura y debe excitarse mediante una

fuente bifásica. Las corrientes en los dos devanados de fase están a 90° eléctricos

fuera de fase una respecto de la otra. En un motor monofásico, la colocación delos

dos devanados de fase espaciadores en cuadratura no representa ningún

problema. Sin embargo, la creación artificial de una segunda fase requerida cierta

comprensión básica de las redes resistivas, inductivas y capacitivas.

Motor asíncrono monofásico.

La máquina asíncrona o de inducción al igual que cualquier otro dispositivo de

conversión electromecánica de la energía de tipo rotativo, está formado por un

estator y un rotor. En el estator se coloca normalmente el inductor, alimentado por

una red que en este caso es monofásica. El rotor es el inducido, y las corrientes

que circulan por el aparecen como consecuencia de la interacción con el flujo del

estator. Dependiendo del tipo de rotor, estas máquinas se clasifican en

a) Rotor en jaula de ardilla o en corto circuito.

b) Rotor devanado o con anillos.

Motor monofásico Jaula de ardilla.

Básicamente, un motor de inducción monofásico está formado por un rotor jaula

de ardilla análogo al de los motores trifásicos y un estator en el que se dispone un

devanado alimentado con ca monofásica. Normalmente se constituyen con

potencias inferiores a 1hp y por ello reciben también el nombre de motores

fraccionarios. El campo de aplicación es muy restringido y se limita a su mayoría a

las instalaciones domésticas: lavadoras, ventiladores, etc.

Figura 40. Rotor jaula de ardilla.



Motor de fase partida.

En este motor se sitúan en el estator dos devanados desfasados 90° eléctricos en

el espacio (figura 41). El primer devanado, denominado principal, cubre 2/3 de las

ranuras y tiene gran reactancia y baja resistencia, mientras que el otro,

denominado auxiliar, cubre el este del estator y tiene alta resistencia y baja

reactancia (se realiza con hilo más delgado), de tal forma que está en serie con un

interruptor centrifugo situado en el eje del motor.

Este tipo de motores se utiliza en ventiladores, bombas centrífugas, lavadoras, etc.

Se constituyen generalmente desde potencias de 50 W hasta 500 W.

Figura 41.

Figura 42.



Motor con arranque por condensador.

Este tipo de motor, el devanado auxiliar lleva en serie un condensador (figura 43).

El empleo de este condensador tiene grandes ventajas, ya que pueden

conseguirse desfases en las corrientes de las bobinas que se acercan casi a los

90°. En la figura 44a se muestra el diagrama fasorial de las corrientes, en que se

ha tomado las tensiones de la red como referencia; se observa que la corriente del

devanado principal se retrasa respecto a la tensión debido a su carácter inductivo,

mientras que la corriente en el devanado auxiliar se adelanta respecto a la tensión

debido a su carácter capacitivo.

En la figura 44b se muestra la curva par-velocidad de este motor, que si se

compara con el anterior se desprende que el motor con condensador ofrece un par

de arranque considerablemente mayor que en el caso del montaje con fase

partida. Los condensadores empleados son del tipo electrolíticos y permanecen

conectados únicamente durante el periodo de arranque. Una vez desconectado el

condensador el motor queda funcionando como monofásico empleando el

devanado principal.

Figura 43.

Figura 44.



Motor con espira de sombra.

Constituye el modelo más sencillo y corresponde al tipo de motor monofásico más

pequeño. Está formado por un estator de polos salientes (figura 45a) que dispone

de un devanado conectado concentrado alimentado por una red monofásica y un

rotor en forma jaula de ardilla.

Alrededor de cada polo y se abraza parte del mismo se coloca una espra de

sombra; parte del flujo principal del estator 𝜙1,, atraviesa esta espira, induciendo

una fem 𝐸𝑐𝑐que a su vez produce una corriente 𝐼𝑐𝑐 en retraso (por presentar una

pequeña reactancia), que da lugar a un flujo 𝜙𝑐𝑐 que sumado vectorialmente con

𝜙1,(figura 45b) da como resultado un flujo auxiliar 𝜙𝑎desfasado 𝛽 grados en el

tiempo, respecto al flujo 𝜙1,, que atraviesa la otra parte del polo.

Ambos flujos 𝜙𝑎 y 𝜙1,, se encuentran desplazados también en el espacio un ángulo

𝛾, en consecuencia se produce un campo giratorio (de naturaleza elíptica) que se

dirige hacia la espira de sombra, dando origen a un par en el eje. Debido a la

pequeña magnitud de este par, las aplicaciones de este motor son muy limitadas:

ventiladores de uso doméstico, equipos de aire acondicionado, maquinas

fotocopiadoras, ect. Se fabrican con potencias que llegan hasta 1/20 kW.

Figura 45.



Motor monofásico de inducción de rotor devanado.

Un rotor devanado tiene un devanado trifásico similar al del estator. El devanado

está distribuido uniformemente en las ranuras y casi siempre está conectado en Y

con 3 conductores. Las terminales están conectadas a tres anillos colectores, los

cuales giran junto con el rotor (Fig. 46). Los anillos colectores rotatorios y las

escobillas estacionarias asociadas permiten conectar resistores externos en serie

al devanado del rotor. Los resistores externos se utilizan principalmente durante el

periodo de arranque; en condiciones de funcionamiento normal, las tres escobillas

están en cortocircuito

Aunque un motor de rotor devanado cuesta más que uno de jaula de ardilla, ofrece

las siguientes ventajas:

1. La corriente con el rotor bloqueado se puede reducir drásticamente

insertando tres resistores externos en serie con el rotor. No obstante, el par

o momento de torsión con el rotor bloqueado seguirá siendo alto, e incluso

más alto que el de un motor de jaula de ardilla de potencia equivalente.

2. Podemos variar la velocidad variando los resistores externos del rotor.

3. El motor es ideal para acelerar cargas de alta inercia, las cuales requieren

mucho tiempo para adquirir velocidad.

Figura 46. Rotor devanado o con anillos.



Motor síncrono monofásico.

Como su nombre lo indica, un motor síncrono funciona en condiciones de estado

estable a una velocidad fija llamada velocidad síncrona. La velocidad síncrona

solo depende de

a) La frecuencia del voltaje aplicado

b) El número de polos en la máquina.

En otras palabras, la velocidad de un motor síncrono es independiente de la carga

hasta donde esta se mantenga dentro de la capacidad del motor. Si el par de

carga excede el par máximo que puede desarrollar el motor, este sencillamente se

detiene y el para promedio desarrollado es igual a cero.

Por ello, un motor síncrono no tiene la característica inherente de autoarranque,

por lo que debe ser impulsado casi a su velocidad síncrona con algún medio

auxiliar antes de que pueda sincronizarse a la red de suministro.

Debido a su característica de par constante, un motor síncrono pequeño se utiliza

como dispositivo controlador de tiempo. El motor síncrono grande puede

emplearse para manejar cierta carga, así como para mejorar el factor de potencia

conjunta de una planta industrial, ya que es posible operarlo con un factor de

potencia adelantado. Sin embargo un motor síncrono que opera bajo estos fines

recibe el nombre de condensador síncrono.

La velocidad síncrona en revoluciones por minuto (rpm) a la que gira el flujo

alrededor de la periferia del entrehierro es:

𝑁𝑠 =120𝑓

𝑝

Donde p es el número de par de polos.



Motor de histéresis.

Para entender el principio de operación de un motor de histéresis, considere

primero la figura 47, que muestra un rotor estacionario rodeado por un par de

polos N, S que puede ser girado mecánicamente en el sentido de las manecillas

del reloj. El rotor se compone de un material cerámico de alta fuerza coercitiva.

Por lo tanto, es un material imantado permanente cuya resistividad se aproxima a

la de un aislante. En consecuencia, es imposible establecer corrientes parásitas

en dicho motor.

A medida que el campo N, S gira, magnetiza el rotor; por lo tanto, continuamente

se producen polos de polaridad opuesta bajo los polos N, S en movimiento. De

hecho, el campo rotatorio reorienta de manera continua los dominios magnéticos

en el rotor. Obviamente, los dominios individuales realizan un ciclo completo (o

lazo de histéresis) cada vez que el campo realiza una revolución completa. Así, las

pérdidas por histéresis se producen en el rotor, proporcionales al área del lazo de

histéresis. Estas pérdidas se disipan como calor en el rotor.

Ya sea que los polos se muevan lentamente alrededor del rotor o que lo hagan a

alta velocidad, el par o momento de torsión ejercido en el rotor siempre es el

mismo. Esta propiedad básica es la que distingue a los motores de histéresis de

todos los demás.

En la práctica, el campo rotatorio es producido por un estator trifásico, o por uno

monofásico que tiene un devanado auxiliar. Cuando se coloca un rotor de

histéresis en el interior de este estator, de inmediato se acelera hasta que alcanza

la velocidad síncrona. El momento de torsión de aceleración es básicamente

constante como lo muestra la curva (a) en la figura 48. Éste es totalmente

diferente del de un motor de inducción de jaula de ardilla, cuyo momento de

torsión tiende a cero a medida que se aproxima a la velocidad síncrona. Gracias a

la frecuencia fija de los grandes sistemas de distribución, el motor de histéresis se

Figura 47.



emplea en relojes eléctricos y en otros aparatos de medición de tiempo precisos

(Figura 49).

Figura 48.

Figura 49.



También se utiliza para impulsar caseteras, tornamesas y otro equipo de audio de

precisión. En estos dispositivos la velocidad constante es, desde luego, la

característica que estamos buscando. Sin embargo, el motor de histéresis es

particularmente adecuado para impulsar estos aparatos a causa de su alta inercia.

La inercia impide que muchos motores síncronos (como los motores de

reluctancia) adquieran velocidad porque, para alcanzar el sincronismo, tienen que

bloquearse repentinamente con el campo rotatorio. En el motor de histéresis no

ocurre esta abrupta transición porque desarrolla un momento de torsión constante

hasta la velocidad síncrona. En algunos equipos de audio de tornamesa estas

características se mejoran aún más diseñando el motor para que funcione con

capacitor y libre de vibraciones.

Mientras el motor se está acelerando, su momento de torsión completo está

disponible para soportar la carga mecánica y para superar la inercia. Una vez que

alcanza la velocidad síncrona, los polos del rotor continúan magnetizados, por lo

que el motor funciona como un motor síncrono de imán permanente ordinario. Los

polos del rotor se retrasarán un cierto ángulo con respecto a los polos del estator,

cuya magnitud depende del momento de torsión mecánico ejercido por la carga.

Motor de reluctancia.

Podemos construir un motor síncrono fresando un rotor de jaula de ardilla

estándar para crear varios polos salientes. El número de polos debe ser igual al

número de polos en el estator. La figura 50 muestra un rotor con cuatro polos

salientes.

Figura 50.



El motor de reluctancia arranca como un motor de jaula de ardilla estándar, pero

cuando se acerca a la velocidad síncrona, los polos salientes se bloquean con el

campo rotatorio, por lo que el motor funciona a velocidad síncrona. Los momentos

de ajuste a sincronismo y crítico son débiles, en comparación con los de un motor

de histéresis de igual tamaño. Además, los motores de reluctancia no pueden

acelerar cargas de alta inercia hasta la velocidad síncrona. La razón se ve en la

figura 48. Suponga que el motor ha alcanzado una velocidad n1 correspondiente

al par o momento de torsión a plena carga (punto de operación 1).

Los polos del estator se deslizan más allá de los polos del rotor a una velocidad

que corresponde al deslizamiento. Si el rotor ha de bloquearse con el campo

rotatorio, debe hacerlo en el tiempo que se requiere para que un polo del estator

pase más allá de un polo del rotor. Si durante este intervalo ( Dt) no se alcanza el

momento de torsión de ajuste a sincronismo, nunca se alcanzará.

Figura 51.



Motor de Imanes permanentes.

Los motores de imanes permanentes son motores eléctricos cuyo funcionamiento

se basa en imanes permanentes (motores de IP). Existen diversos tipos, siendo

los más conocidos:

Motores de corriente continua de IP

Motores de corriente alterna de IP

Motores paso a paso de IP

Uno de los de mayor aplicación es el motor sincrónico de imán permanente.

Las máquinas de imán permanente son extensivamente usadas en servomotores,

accionamientos eléctricos para posicionamiento, robótica, máquinas herramienta,

ascensores, etc. Se han llegado a construir máquinas de una potencia por encima

de 1 MW por ejemplo para el accionamiento de submarinos. También es posible

su aplicación en generación y bombeo a partir de energía solar fotovoltaica o

energía eólica.

Esta motor eléctrico tiene las ventajas de que

a) Su tamaño es más pequeño

b) Su eficiencia es mayor que la de una máquina devanada con las mismas

especificaciones de potencia.

c) Evita las pérdidas eléctricas que ocurren en los devanados de campo.

Figura 52. Motor de

imanes permanentes.



Motor de paso de Imanes permanentes.

Los motores de pasos de imán permanente son similares a los motores de pasos

de reluctancia variable, excepto que el rotor tiene polos N y S permanentes. La

figura 53 muestra un motor de imán permanente con cuatro polos en el estator y 6

polos en el rotor; los últimos son los imanes permanentes. Debido a los imanes

permanentes, el rotor permanece alineado con el último par de polos del estator

que fueron excitados por el controlador. En realidad, el motor desarrolla un

momento de torsión de detención que mantiene el rotor en su lugar aun cuando no

fluya corriente en los devanados del estator. Las bobinas A1, A2 están conectadas

en serie, así como las bobinas B1, B2. Partiendo de la posición mostrada, si las

bobinas B son excitadas, el rotor recorrerá un ángulo de 30°. Sin embargo, la

dirección de rotación depende de la dirección del flujo de corriente. Por lo tanto, si

la corriente en las bobinas B produce polos N y S como se muestra en la figura 53,

el rotor girará en sentido contrario al de las manecillas del reloj. Por lo general, los

motores de pasos que tienen que desarrollar una potencia considerable están

equipados con imanes permanentes.

Figura 53.



Motor polifásico.

Las máquinas de inducción trifásicas comprenden tanto motores como

generadores. Los motores de inducción (o motores asíncronos) trifásicos son los

motores más utilizados en la industria. Son simples, resistentes, baratos y fáciles

de mantener. Funcionan a velocidad esencialmente constante desde cero hasta

plena carga. La velocidad depende de la frecuencia, por lo que estos motores no

se adaptan con facilidad al control de velocidad. Sin embargo, ca da vez se utilizan

más los controladores electrónicos de frecuencia variable para controlar la

velocidad de motores de inducción comerciales En este capítulo veremos los

principios básicos del motor de inducción trifásico y desarrollaremos las

ecuaciones fundamentales que describen su comportamiento. Después

analizaremos su construcción general y la forma en que están hechos sus

devanados. Los motores de inducción con rotor tipo jaula de ardilla, con rotor

devanado y lineales con capacidades de unos cuantos caballos de fuerza hasta

varios miles de ellos permitirán al lector ver que operan sobre los mismos

principios básicos. En este capítulo también veremos que los motores de

inducción trifásicos pueden operar como generadores de inducción trifásicos.

Figura 54.



Figura 55.



Figura 56.



Motor de inducción rotor devanado.

La figura 59 es un diagrama del circuito utilizado para arrancar un motor de rotor

devanado. Los devanados del rotor están conectados a tres resistores externos

conectados en Y por medio de un juego de anillos colectores y escobillas. En

condiciones de rotor bloqueado (LR, por sus siglas en inglés), los resistores

variables se ajustan a su valor más alto. Conforme el motor se acelera, la

resistencia se reduce gradualmente hasta que se alcanza la velocidad de plena

carga, momento en el cual se ponen en cortocircuito las escobillas. Seleccionando

apropiadamente los valores de resistencia, podemos producir un momento de

torsión de alta aceleración con una corriente en el estator que nunca excede el

doble de la corriente a plena carga.

Para arrancar motores grandes a menudo se utilizan reóstatos líquidos porque son

fáciles de controlar y tienen una gran capacidad térmica. Un reóstato líquido se

compone de tres electrodos sumergidos en un electrolito apropiado. Para variar su

resistencia, simplemente se hace variar el nivel del electrolito que rodea los

electrodos. La gran capacidad térmica de electrolito limita la elevación de la

temperatura. Por ejemplo, en una aplicación se utiliza un reóstato líquido junto con

un motor de rotor devanado de 1260 kW para acelerar una gran máquina

síncrona. También podemos regular la velocidad de un motor de rotor devanado

variando la resistencia del reóstato. A medida que incrementemos la resistencia, la

velocidad se reducirá. Este método de control de la velocidad tiene la desventaja

de que se disipa una gran cantidad de calor en los resistores; por lo tanto, la

eficiencia es baja. Además, con un ajuste dado del reóstato, la velocidad varía

considerablemente si la carga mecánica varía.

La capacidad de potencia de un motor de rotor devanado autoenfriado depende de

la velocidad a la cual opera. Por lo tanto, con la misma elevación de la

temperatura, un motor que puede desarrollar 100 kW a 1800 r/min suministrará

sólo unos 40 kW a 900 r/min. Sin embargo, si el motor es enfriado con un

ventilador aparte, puede suministrar 50 kW a 900 r/min.

Figura 59.



Motor universal.

El motor universal monofásico es muy similar a un motor de cd en serie. La

construcción básica de un motor universal pequeño se muestra en la figura 60.

Todo el circuito magnético está laminado para reducir pérdidas por corrientes

parásitas. Dicho motor puede operar con ca o cd, y el par o momento de torsión

velocidad resultantes son aproximadamente los mismos en cada caso. Por eso se

llama motor universal. Cuando el motor está conectado a una fuente de ca, la

corriente alterna fluye a través de la armadura y el campo en serie. El campo

produce un flujo de ca F que reacciona con la corriente que fluye en la armadura

para producir un momento de torsión. Como la corriente y el flujo en la armadura

se invierten al mismo tiempo, el momento de torsión siempre actúa en la misma

dirección. No se produce ningún campo rotatorio en este tipo de máquina; el

principio de operación es el mismo que el de un motor en serie de cd y posee las

mismas características básicas.

La ventaja principal de los motores universales de caballos de fuerza fraccionarios

es su alta velocidad y alto par o momento de torsión de arranque. Por consiguiente

se pueden utilizar para impulsar ventiladores centrífugos de alta velocidad en

aspiradoras. La alta velocidad y el pequeño tamaño correspondiente para una

salida de potencia dada también es una ventaja al impulsar herramientas

portátiles, como sierras y taladros eléctricos. Las velocidades sin carga tan altas

como 5000 a 15 000 r/min son posibles pero, como en cualquier motor en serie, la

velocidad se reduce con rapidez conforme se incrementa la carga

Los motores en serie se construyen en muchos tamaños, desde los pequeños

motores de juguetes hastalos grandes motores de tracción utilizados

anteriormente en algunas locomotoras eléctricas. La figura 60 da las curvas de

desempeño de ca de un motor universal de 1/100 hp, 115 V y 8000 r/min. La

corriente a plena carga es de 175 mA.

Figura 60.



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