Los equipos rotativos son tan comunes, y a la vez tan incomprendidos, que incluso electricistas e ingenieros con gran experiencia suelen estar plagados de preguntas sobre su funcionamiento. Este artículo responderá a siete de las preguntas más frecuentes. Las explicaciones son breves y prácticas debido a las limitaciones de espacio; sin embargo, le permitirán tener una mejor comprensión de estos equipos.
Pregunta nº 1: Inducido, campo, rotor, estator: ¿cuál es cuál?
Por definición, el estator comprende todas las partes eléctricas no giratorias de un generador o motor. También por definición, el rotor incluye todas las partes eléctricas giratorias.
El campo de una máquina es la parte que genera el campo magnético directo. La corriente en el campo no se alterna. El devanado del inducido es el que genera o al que se le aplica una tensión alterna.
Por lo general, los términos «inducido» y «campo» se aplican únicamente a los generadores de corriente alterna, motores síncronos, motores de corriente continua y generadores de corriente continua.
Generadores de corriente alterna. El campo de un generador síncrono es el devanado al que se aplica la corriente de excitación de corriente continua. El inducido es el devanado al que se conecta la carga. En los generadores pequeños, los devanados de campo suelen estar en el estator y los de inducido en el rotor. La mayoría de las máquinas grandes, sin embargo, tienen un campo giratorio y un inducido estacionario.
Un motor síncrono es prácticamente idéntico a un generador síncrono. Así, el inducido es el estator y el campo es el rotor.
Máquinas de CC. En las máquinas de corriente continua, tanto motores como generadores, el inducido es el rotor y el campo es el estator. Debido a que el inducido es siempre el rotor en las máquinas de CC, muchos electricistas e ingenieros creen erróneamente que el inducido es el rotor en todos los motores y generadores.
Pregunta nº 2: He aliviado la tensión del muelle de mis escobillas, y siguen desgastándose demasiado rápido. ¿Por qué?
El desgaste de las escobillas se debe a dos causas básicas: la fricción mecánica y el desgaste eléctrico. La fricción mecánica es causada por el roce de las escobillas en el conmutador o anillo deslizante. El desgaste eléctrico se debe a la formación de arcos y chispas de la escobilla al pasar por el conmutador. La fricción mecánica aumenta con la presión de las escobillas; el desgaste eléctrico disminuye con la presión de las escobillas.
Para cualquier instalación de escobillas, hay una cantidad óptima de presión de las mismas. Si la presión se reduce por debajo de esta cantidad, el desgaste total aumenta porque el desgaste eléctrico aumenta. Si se aumenta la presión por encima de la cantidad óptima, el desgaste total vuelve a aumentar porque se incrementa la fricción mecánica.
Asegúrese siempre de que la presión de los cepillos está ajustada al nivel recomendado por el fabricante. Si el desgaste sigue siendo excesivo, debe investigar el tipo y el tamaño del cepillo que se está utilizando. Recuerde que la densidad de corriente (amperios por pulgada cuadrada de cepillo) debe ser correcta para la aplicación. La densidad de corriente adecuada es necesaria para asegurarse de que se forme una película lubricante y conductora en el colector o en el anillo deslizante. Esta película se compone de humedad, cobre y carbono. Una densidad de corriente insuficiente inhibe la formación de esta película y puede provocar un desgaste excesivo de las escobillas.
Además, los entornos de muy baja humedad no proporcionan suficiente humedad para la formación de la película lubricante. Si el desgaste excesivo de las escobillas es un problema en un entorno de este tipo, es posible que tenga que humedecer el área donde la máquina está funcionando.
Pregunta nº 3: ¿Qué es el factor de servicio?
El factor de servicio es la carga que puede aplicarse a un motor sin exceder los valores nominales permitidos. Por ejemplo, si un motor de 10 CV tiene un factor de servicio de 1,25, podrá suministrar 12,5 CV (10 x 1,25) sin superar el aumento de temperatura especificado. Tenga en cuenta que cuando se acciona por encima de su carga nominal de esta manera, el motor debe ser alimentado con la tensión y la frecuencia nominal.
Tenga en cuenta, sin embargo, que un motor de 10 CV con un factor de servicio de 1,25 no es un motor de 12,5 CV. Si el motor de 10 CV se hace funcionar continuamente a 12,5 CV, su vida útil de aislamiento podría disminuir hasta dos tercios de lo normal. Si necesita un motor de 12,5 CV, compre uno; el factor de servicio sólo debe utilizarse para condiciones de sobrecarga a corto plazo.
Pregunta nº 4: ¿Qué es un campo magnético giratorio y por qué gira?
Un campo magnético giratorio es aquel cuyos polos norte y sur se mueven dentro del estator, como si una barra magnética, o imanes, estuvieran girando dentro de la máquina.
Observe el estator del motor trifásico que se muestra en el diagrama adjunto. Se trata de un estator de 2 polos con las tres fases espaciadas a intervalos de 120. La corriente de cada fase entra en una bobina en un lado del estator y sale por una bobina en el lado opuesto. Así, si una de las bobinas está creando un polo norte magnético, la otra bobina (para la misma fase) creará un polo sur magnético en el lado opuesto del estator.
En la posición 1, la fase B está creando un polo norte fuerte en la parte superior izquierda y un polo sur fuerte en la parte inferior derecha. La fase A está creando un polo norte más débil en la parte inferior izquierda y un polo sur más débil en la parte inferior. La fase C está creando un campo magnético global, con su polo norte en la parte superior izquierda y su polo sur en la parte inferior derecha.
En la posición 2, la fase A está creando el polo norte fuerte en la parte inferior izquierda y un polo sur fuerte en la parte superior derecha; por tanto, los polos fuertes han girado 60 en sentido contrario a las agujas del reloj. (Nótese que esta rotación magnética de 60 corresponde exactamente a un cambio eléctrico de 60 en las corrientes de fase). Los polos débiles también han girado 60 en sentido contrario a las agujas del reloj. Esto, en efecto, significa que el campo magnético total ha girado 60 desde la Posición 1.
Con un análisis más detallado, podemos mostrar que la intensidad del campo magnético gira suavemente desde la Posición 1 a la Posición 2 a medida que las corrientes en cada una de las fases varían en 60 grados eléctricos. El análisis de las Posiciones 3, 4, 5 y 6 muestra que el campo magnético sigue girando.
La velocidad a la que gira el campo magnético se denomina velocidad sincrónica y se describe mediante la siguiente ecuación:
S = (f x P) / 120 donde S = velocidad de rotación en revoluciones por minuto f = frecuencia de la tensión suministrada (Hz) P = número de polos magnéticos en el campo magnético giratorio
Si se colocara un imán permanente en este estator, con un eje que le permitiera girar, sería empujado (o arrastrado) a la velocidad sincrónica. Así es exactamente como funciona un motor síncrono, excepto que el campo magnético del rotor (campo) es creado por el electromagnetismo en lugar de por un imán permanente.
El rotor de un motor de inducción está compuesto por devanados en cortocircuito, y se induce una corriente en los devanados del rotor cuando el campo magnético giratorio los atraviesa. Esta corriente crea un campo que se opone al campo giratorio. Como resultado, el rotor es empujado (o arrastrado) por el campo giratorio. Tenga en cuenta que el rotor del motor de inducción no puede girar a velocidad sincrónica, ya que el campo giratorio debe cortar los devanados del rotor para crear el par. La diferencia entre la velocidad sincrónica y la velocidad real del rotor se denomina porcentaje de deslizamiento; se expresa en forma de porcentaje.
Los motores monofásicos también tienen un campo magnético giratorio. El campo giratorio necesario para arrancar el motor se genera a partir de un segundo devanado llamado devanado de arranque. Una vez que el motor alcanza su velocidad, el devanado de arranque se desconecta y el campo giratorio se desarrolla por la interacción del devanado principal del estator y el rotor.
Pregunta nº 5: ¿Cómo funciona un generador de inducción?
Un generador de inducción es idéntico en construcción a un motor de inducción. Los devanados del estator están conectados a un sistema de alimentación trifásico, y las tres fases crean un campo magnético giratorio. El rotor del generador de inducción es girado por un motor primario, que gira más rápido que la velocidad sincrónica. Cuando los devanados del rotor atraviesan el campo giratorio, se induce corriente en ellos. Esta corriente inducida crea un campo que, a su vez, corta los devanados del estator para crear una potencia de salida para la carga.
El generador de inducción obtiene así su excitación del sistema de energía al que está conectado. El motor de inducción debe tener generadores síncronos conectados a su estator para empezar a generar. Una vez que el generador de inducción está en funcionamiento, se pueden utilizar condensadores para suministrar la excitación.
Pregunta nº 6: ¿Por qué se aíslan los cojinetes del generador y del motor?
El campo magnético dentro de un motor o generador no es completamente uniforme. Por lo tanto, cuando el rotor gira, se desarrolla una tensión en el eje longitudinalmente (directamente a lo largo del eje). Esta tensión provocaría el flujo de microcorrientes a través de la película de lubricante de los rodamientos. Estas corrientes, a su vez, provocarían pequeños arcos voltaicos, calentamiento y, finalmente, el fallo de los rodamientos. Cuanto más grande sea la máquina, peor será el problema.
Para evitar este problema, el lado del rotor del cuerpo del rodamiento suele estar aislado del lado del estator. En la mayoría de los casos, al menos un rodamiento estará aislado, normalmente el más alejado del motor principal en el caso de los generadores y el más alejado de la carga en el caso de los motores. A veces, ambos rodamientos están aislados.
Pregunta nº 7: ¿Cómo controlan los generadores de CA los vares, la tensión y la potencia?
Aunque los controles de un generador interactúan, las siguientes generalidades son ciertas.
* La salida de potencia de un generador está controlada por su motor principal.
* La tensión y/o la contribución de var de un generador están controladas por el nivel de corriente del excitador.
Por ejemplo, supongamos que se conecta una carga adicional a la salida de un generador. El flujo de corriente añadido aumentará la fuerza del campo magnético de la armadura y hará que el generador se ralentice. Para mantener la frecuencia, el regulador del generador aumentará la potencia de entrada al motor principal. Así, la potencia adicional requerida del generador es controlada por la entrada del motor principal.
En nuestro ejemplo aquí, el flujo magnético neto en el entrehierro disminuirá, ya que el aumento de la armadura se opone al flujo de campo. Si el flujo de campo no se incrementa para compensar este cambio, la tensión de salida del generador disminuirá. Así, la corriente de excitación se utiliza para controlar la tensión de salida.
Veamos otro ejemplo como aclaración adicional. Supongamos que se añade una carga var a nuestro generador. En esta circunstancia, la corriente de salida del generador volverá a aumentar. Sin embargo, dado que la nueva carga no es una potencia «real», el motor primario debe aumentar sólo lo suficiente para superar la caída IR adicional creada por la corriente adicional.
Como ejemplo final, supongamos que tenemos dos o más generadores funcionando en paralelo y alimentando una carga. El generador 1 (G1) está llevando toda la carga (real y reactiva) mientras que el generador 2 (G2) está funcionando a cero vatios y cero vars. Si el operador de G2 abre el acelerador del motor principal, G2 comienza a alimentar el sistema con vatios. Como la carga conectada no ha cambiado, ambos generadores se acelerarán a menos que G1 reduzca su velocidad.
Como G2 recoge una parte adicional de la carga, requiere un aumento del flujo de campo. Si el operador de G2 no aumenta el campo de G2, G2 extraerá su excitación adicional de G1, requiriendo que G1 aumente su nivel de excitación. Si ni G1 ni G2 aumentan el nivel de excitación, la tensión global del sistema bajará.
Cadick, P.E. es presidente de Cadick Professional Services, Garland, Texas, miembro de la National Electrical Testing Assoc. (NETA).