Conceptos Clave y Funcionamiento de Máquinas Eléctricas Rotativas: CC y CA

Conceptos Clave de Devanados en Máquinas Eléctricas

Secciones Inducidas de una Bobina

Una sección inducida es una parte de una bobina que se aloja en las mismas ranuras y posee sus propios terminales de conexión. Una bobina con una sección inducida tiene dos terminales; si tiene dos secciones, tendrá cuatro terminales, y así sucesivamente.

Clasificación de Devanados

Los devanados se clasifican según el número de bobinas que ocupan una ranura:

• Una capa: Una ranura es ocupada solamente por los conductores de una sola bobina.
• Dos o más capas: La ranura es ocupada en dos o más niveles por los lados de dos o más bobinas.

Según la conexión de la bobina en el colector, se clasifican en:

• Devanados imbricados (paralelos): Cada lado de la bobina queda situado debajo de un polo de signo contrario. Pueden ser simples o compuestos.
• Devanados ondulados: Los terminales de las bobinas o secciones inducidas se conectan en avance con la armadura. Solo existen dos ramas en paralelo con tantas ramas como polos.

Frecuencia en Máquinas de CA

En máquinas de CA, la frecuencia (f) está relacionada con la velocidad de rotación del rotor (N) en rpm y con el número de pares de polos (p) de la máquina.

Diseño de Devanados: Datos y Conceptos

• Paso polar (Y_P): Distancia entre dos masas polares contiguas de signo contrario, medida angularmente en grados. Y_P = k / 2p
• Paso de ranura (Y_K): Número de ranuras entre los dos lados activos de una misma bobina.
• Paso diametral: En máquinas de dos polos (bipolares), coincide con el paso polar y con el diámetro del rotor.
• Paso de colector: Número de delgas entre los dos terminales de una sección inducida o bobina.

Equilibrado de Máquinas Rotativas

Las máquinas eléctricas requieren un equilibrado para evitar vibraciones y ruidos. Existen máquinas automáticas específicas para realizar el equilibrado en rotores eléctricos, con sensores y unidades de control informatizadas.

Principio de Funcionamiento de Máquinas Rotativas de CC y CA

Máquinas de CC

Utilizan un sistema de conmutación basado en un colector de delgas, que produce una fuerza electromotriz que no cambia de signo.

Máquinas de CA

Si se sustituye el colector de delgas por un par de anillos rozantes, la fuerza electromotriz presenta valores positivos y negativos, ya que el sentido de la corriente cambia periódicamente (señal senoidal).
Inductor CA: rotor, CC: estator.
Inducido CA: estator, CC: rotor.

Ensayo en Vacío

El ensayo en vacío define la curva que relaciona la tensión de salida (V) del alternador con la corriente de excitación. Para valores bajos de excitación, la V generada aumenta linealmente. Al superar cierto valor, el núcleo magnético se satura y la V generada aumenta muy poco o no aumenta.

Motor de Arranque

Un motor de arranque debe vencer el par resistente que se aplica en su eje hasta alcanzar la velocidad de funcionamiento nominal. Si la carga es excesiva, el motor puede no arrancar. Esta característica se representa mediante la curva par-velocidad.

Clasificación de Máquinas de CA

Las máquinas de CA, al igual que las de CC, son reversibles (funcionan como generador o motor). Se clasifican en:

• Asíncronas
• Síncronas

Máquinas Síncronas

El circuito magnético se divide en estator (armadura) y rotor (culata). El rotor aloja el devanado de excitación o inductor. Hay dos tipos:

• Polos salientes: Máquinas de más de dos polos, gran potencia y tamaño (giran a baja velocidad).
• Polos lisos (ranurados): Máquinas de pequeña potencia o bajo número de polos que giran a gran velocidad.

El circuito eléctrico de las máquinas síncronas consta de dos circuitos: inductor e inducido. La principal diferencia con las máquinas de CC es que la disposición de los devanados está invertida (inductor en el estator e inducido en el rotor).

• Circuito inductor: Genera el campo magnético de excitación. Bobinado sobre el rotor, formando un número fijo de polos con signo alternativo (N, S, N, S, etc.).
• Colector de anillos: La alimentación del circuito del rotor no requiere conmutación, por lo que no necesita colector de delgas.
• Circuito inducido: Alojado en el estator. En una máquina trifásica, está formado por tres devanados, uno por fase.
• Caja de bornes: A la caja de bornes llegan ocho conductores: seis de los devanados inducidos (dos por fase) y dos procedentes de las escobillas que alimentan el circuito inductor.