Máquinas eléctricas de corriente alterna

Las máquinas eléctricas se utilizan para convertir la energía mecánica en energía eléctrica (generadores de CA y CC) y viceversa (motores eléctricos).

En todos estos casos se utilizan esencialmente tres descubrimientos principales en el campo del electromagnetismo: el fenómeno de la interacción mecánica de las corrientes descubierto por Ampere en 1821, el fenómeno de la inducción electromagnética descubierto por Faraday en 1831, y el resumen teórico de estos fenómenos realizado por Lenz (1834) en su conocida ley de la dirección de la corriente inducida (de hecho, la ley de Lenz predijo la ley de conservación de la energía para los procesos electromagnéticos).

Para convertir la energía mecánica en energía eléctrica o viceversa, es necesario crear un movimiento relativo de un circuito conductor con una corriente y un campo magnético (imán o corriente).

En las máquinas eléctricas diseñadas para operación continua, se utiliza el movimiento giratorio de la parte móvil de la máquina (el rotor de la máquina de corriente alterna) ubicada dentro de la parte estacionaria (el estator).La bobina de la máquina que sirve para crear el campo magnético se denomina inductor, y la bobina que circula con la corriente de funcionamiento se denomina armadura. Estos dos últimos términos también se utilizan para máquinas de CC.

Para aumentar la inducción magnética, los devanados de las máquinas se colocan sobre cuerpos ferromagnéticos (acero, hierro fundido).

Todas las máquinas eléctricas tienen la propiedad de la reversibilidad, es decir, pueden ser utilizadas tanto como generadoras de energía eléctrica como como motores eléctricos.

Motores asíncronos

Se utilizan motores asíncronos una de las manifestaciones de la inducción electromagnética… En los cursos de física se demuestra de la siguiente manera:

Debajo de un disco de cobre, que puede girar sobre un eje vertical que pasa por su centro, se coloca un imán de herradura vertical accionado para girar sobre el mismo eje (se excluye la interacción mecánica entre el disco y el imán). En este caso, el disco comienza a girar en la misma dirección que el imán, pero a menor velocidad. Si aumenta la carga mecánica en el disco (por ejemplo, aumentando la fricción del eje contra el cojinete de empuje), entonces su velocidad de rotación disminuye.

El significado físico de este fenómeno se explica fácilmente por la teoría de la inducción electromagnética: cuando el imán gira, se crea un campo magnético giratorio que induce corrientes de Foucault en el disco, la magnitud de este último depende, en igualdad de condiciones, de la Velocidad relativa del campo y del disco.

Según la ley de Lenz, el disco debe girar en la dirección del campo. En ausencia de fricción, el disco debe adquirir una velocidad angular igual a la velocidad del imán, después de lo cual desaparecerá la fem inducida. En la vida real, la fricción está inevitablemente presente y el disco se vuelve más lento.Su magnitud depende del momento de frenado mecánico experimentado por el disco.

La discrepancia entre la velocidad de rotación del disco (rotor) y la velocidad de rotación del campo magnético se refleja en el nombre de los motores.

El principio de funcionamiento de los motores asíncronos:

En los motores asíncronos técnicos (la mayoría de las veces trifásicos) se crea un campo magnético giratorio corriente polifásicaque fluye alrededor del devanado estacionario del estator. A la frecuencia de la corriente trifásica es y el número de bobinas del estator 3p campo giratorio hace n = f / p revoluciones / seg.

Un rotor giratorio está ubicado en la cavidad del estator. A su eje se le puede conectar un mecanismo giratorio. En los motores de "célula de ardilla" más simples, el rotor consiste en un sistema de varillas metálicas longitudinales colocadas en las ranuras de un cuerpo cilíndrico de acero. Los cables están cortocircuitados por dos anillos. Para aumentar el par, el radio del rotor se hace lo suficientemente grande.

En otros diseños de motores (normalmente motores de alta potencia), los cables del rotor forman un devanado trifásico abierto. Los extremos de las bobinas se cortocircuitan en el propio rotor y los cables se llevan a tres anillos deslizantes montados en el eje del rotor y aislados de él.

A estos anillos se conecta un reóstato trifásico mediante contactos deslizantes (escobillas), que sirve para poner en marcha el motor. Después de girar el motor, el reóstato se retira por completo y el rotor se convierte en una jaula de ardilla (ver — Motores asíncronos con rotor bobinado).

Hay un tablero de terminales en la carcasa del estator. Los devanados del estator se sacan a ellos. Se pueden incluir estrella o triangulo, en función de la tensión de red: en el primer caso la tensión de red puede ser 1,73 veces superior a la del segundo.

El valor que caracteriza la desaceleración relativa del rotor en comparación con el campo del estator del motor de inducción se llama corrimiento… Pasa del 100% (en el momento de arrancar el motor) a cero (caso ideal de movimiento del rotor sin pérdidas).

La inversión del sentido de giro del motor de inducción se consigue mediante la conmutación mutua de cada dos conductores lineales de la red eléctrica que alimenta al motor.

Los motores de jaula de ardilla son ampliamente utilizados en la industria. Las ventajas de los motores asíncronos son la simplicidad del diseño y la ausencia de contactos deslizantes.

Hasta hace poco, la principal desventaja de tales motores era la dificultad en la regulación de la velocidad, porque si se cambia el voltaje del circuito del estator, el par cambia bruscamente, pero era técnicamente difícil cambiar la frecuencia de la corriente de suministro. Los dispositivos de microprocesador modernos ahora se usan ampliamente para controlar la frecuencia de la corriente de suministro para variar la velocidad de los motores: convertidores de frecuencia.

Alternadores

Los alternadores están construidos para una potencia significativa y alto voltaje. Al igual que las máquinas asíncronas, tienen dos devanados. Normalmente, el devanado del inducido se encuentra en la carcasa del estator. Los inductores que crean el flujo magnético primario están montados en el rotor y son alimentados por un excitador, un pequeño generador de CC montado en el eje del rotor. En máquinas de alta potencia, la excitación a veces se crea mediante un voltaje alterno rectificado.

Debido a la inmovilidad del devanado del inducido, desaparecen las dificultades técnicas asociadas con el uso de contactos deslizantes a altas potencias.

La siguiente figura muestra un esquema de un generador monofásico. Su rotor tiene ocho polos. En estos hay bobinas enrolladas (que no se muestran en la figura) alimentadas desde una fuente externa por corriente continua aplicada a los anillos deslizantes montados en el eje del rotor. Las bobinas de los polos están enrolladas de tal manera que se alternan los signos de los polos que miran hacia el estator. El número de polos debe ser par.

El devanado del inducido se encuentra en la carcasa del estator. Sus largos hilos «activos» de trabajo, perpendiculares al plano del dibujo, se muestran en la figura con círculos, son atravesados ​​por las líneas de inducción magnética cuando el rotor gira.

Los círculos muestran la distribución instantánea de las direcciones de los campos eléctricos inducidos. Los cables de conexión que corren a lo largo del lado frontal del estator se muestran con líneas sólidas y en el lado posterior con líneas discontinuas. Las abrazaderas K se utilizan para conectar un circuito externo al devanado del estator. El sentido de giro del rotor se indica con una flecha.

Si corta mentalmente la máquina a lo largo de un radio que pasa entre las abrazaderas K y la convierte en un plano, la posición relativa del devanado del estator y los polos del rotor (lado y plano) se representará con un dibujo esquemático:

Teniendo en cuenta la figura, nos aseguramos de que todos los cables activos (que pasan por los polos del inductor) estén conectados entre sí en serie y se sume la FEM inducida en ellos. Las fases de todos los campos electromagnéticos son obviamente las mismas.Durante una rotación completa del rotor, se obtendrán cuatro periodos completos de cambio de corriente en cada uno de los hilos (y por tanto en el circuito exterior).

Si una máquina eléctrica tiene p pares de polos y el rotor gira dando n revoluciones por segundo, entonces la frecuencia de la corriente alterna que recibe la máquina es f = pn hz.

Dado que la frecuencia de la EMF en la red debe ser constante, la velocidad de rotación de los rotores debe ser constante. Para obtener una FEM de frecuencia técnica (50 Hz), se puede utilizar una rotación relativamente lenta si el número de polos del rotor es lo suficientemente grande.

Para obtener corriente trifásica, se colocan tres devanados separados en el cuerpo del estator. Cada uno de ellos está desplazado con respecto a los otros dos por un tercio de la distancia del arco entre los polos adyacentes (opuestos) de los inductores.

Es fácil verificar que cuando los inductores giran, se inducen campos electromagnéticos en las bobinas desplazadas en fase (en el tiempo) en 120 °. Los extremos de las bobinas se retiran de la máquina y se pueden conectar en estrella o triángulo.

En un generador, la velocidad relativa del campo y del conductor está determinada por el diámetro del rotor, el número de revoluciones del rotor por segundo y el número de pares de polos.

Si el generador es impulsado por una corriente de agua (hidrogenerador), generalmente se hace con revoluciones lentas. Para obtener la frecuencia de corriente deseada, es necesario aumentar el número de polos, lo que a su vez requiere aumentar el diámetro del rotor.

Por varias razones técnicas potentes generadores de hidrógeno suelen tener un eje vertical y están situados encima de la turbina hidráulica, lo que hace que giren.

Generadores impulsados ​​por turbina de vapor: los generadores de turbina suelen ser de alta velocidad. Para reducir las fuerzas mecánicas, tienen diámetros pequeños y un número de polos correspondientemente pequeño.Varias consideraciones técnicas requieren la producción de generadores de turbina con un eje horizontal.

Si el generador es accionado por un motor de combustión interna, se denomina generador diésel, ya que los motores diésel se utilizan generalmente como motores que consumen combustible más económico.

Reversibilidad del generador, motores síncronos

Si se aplica un voltaje alterno al devanado del estator del generador desde una fuente externa, habrá una interacción de los polos del inductor con el campo magnético de la corriente generada en el estator, y actuarán pares de la misma dirección. en todos los polos.

Si el rotor gira a tal velocidad que poco después de la mitad del período de la corriente alterna, el siguiente polo del inductor (de signo opuesto al primer polo) encajará debajo del alambre considerado del devanado del estator, entonces el signo del la fuerza de interacción entre él y la corriente, que ha cambiado su dirección, seguirá siendo la misma.

En estas condiciones, el rotor, al estar bajo la influencia continua del par, seguirá moviéndose y podrá accionar cualquier mecanismo. La superación de la resistencia al movimiento del rotor ocurrirá debido a la energía consumida por la red, y el generador se convertirá en un motor eléctrico.

Sin embargo, debe tenerse en cuenta que el movimiento continuo solo es posible a una velocidad de rotación estrictamente definida, ya que en caso de desviación de ella, un momento acelerador actuará parcialmente en cada uno de los polos del rotor, moviéndose entre los dos conductores del estator, parte del tiempo - parada.

Por lo tanto, la velocidad de rotación del motor debe estar estrictamente determinada, el tiempo durante el cual el polo es reemplazado por el siguiente debe coincidir con el semiperíodo de la corriente, razón por la cual tales motores se llaman sincrónicamente.

Si se aplica una tensión alterna al devanado del estator con un rotor estacionario, entonces, aunque todos los polos del rotor durante el primer medio ciclo de la corriente experimenten la acción de pares del mismo signo, todavía, debido a la inercia, el el rotor no tendrá tiempo de moverse. En el siguiente medio ciclo, el signo de los pares para todos los polos del rotor cambiará al contrario.

Como resultado, el rotor vibrará pero no podrá girar. Por lo tanto, primero se debe enrollar el motor síncrono, es decir, llevarlo al número normal de revoluciones, y solo entonces se debe encender la corriente en el devanado del estator.

El desarrollo de motores síncronos se lleva a cabo por métodos mecánicos (a potencias bajas) y dispositivos eléctricos especiales (a potencias altas).

Para pequeños cambios de carga, la velocidad del motor cambiará automáticamente para adaptarse a la nueva carga. Entonces, a medida que aumenta la carga en el eje del motor, el rotor se ralentiza inmediatamente. Por lo tanto, cambia el cambio de fase entre el voltaje de línea y la FEM inducida opuesta inducida por el inductor en el devanado del estator.

Además, la reacción del inducido crea una desmagnetización de los inductores, por lo que la corriente del estator aumenta, los inductores experimentan un mayor par y el motor comienza a girar sincrónicamente nuevamente, superando el aumento de carga. Un proceso similar ocurre con la reducción de carga.

Con fluctuaciones bruscas en la carga, esta adaptabilidad del motor puede ser insuficiente, su velocidad cambiará significativamente, se "desincronizará" y finalmente se detendrá, mientras que la FEM de inducción inducida en el estator desaparece y la corriente aumenta. bruscamente. Por lo tanto, se deben evitar fluctuaciones bruscas en la carga. Para parar el motor, obviamente, primero debe desconectar el circuito del estator y luego desconectar los estranguladores; al arrancar el motor, debe cumplir con el orden inverso de las operaciones.

Los motores síncronos se utilizan con mayor frecuencia para accionar mecanismos que funcionan a una velocidad constante. Estas son las ventajas y desventajas de los motores síncronos y los métodos para arrancarlos: Motores síncronos y sus aplicaciones.

Tira de película educativa - "Motores síncronos", creada por la fábrica de ayudas visuales educativas en 1966. Puedes verlo aquí: Filmstrip «Synchronous Motor»