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1. ________________________ ~C_A~~~O~_~Introducción a las máquinasde rotación E l objetivo de este capítulo es introducir y analizar algunos de los principios subyacen tes al funcionamiento de las máquinas eléctricas. Como se estudiará, estos principios los comparten las máquinas de corriente alterna y de corriente directa. Las numerosas técnicas y aproximaciones que implican la reducción de unamáquina física a simples modelos matemáticos, ilustran con suficiente claridad los principios básicos que se desarrollarán a con- tinuación.4.1 CONCEPTOS ELEMENTALES La ecuación 1.27, e = dA/dt, se usa para determinar los voltajes inducidos por medio de campos magnéticos de variación temporal. La conversión de energía electromagnética toma lugar cuando se producen cambios en la dispersión deflujo A debida al movimiento mecánico. En las máquinas de rotación, los voltajes se generan en los devanados o en los grupos de bobinas al girar estos devanados de manera mecánica a través de un campo magnético, al girar mecánicamente un campo magnético por el devanado o al diseñar el circuito magnético de manera que la reluctancia varíe con la rotación del rotor. Con cualquiera de estos métodos, elacoplamiento que vincula una bobina específica se cambia de forma cíclica y se genera un voltaje variante en el tiempo. Al conjunto de dichas bobinas conectadas entre sí, comúnmente se le denomina devanado de armadura o inducido. En términos generales, el concepto devanado de armadura o inducido se emplea para referirse a ün devanado o conjunto de devanados en una máquina de rotación que llevacorrientes alternas. En las máquinas de corriente alterna, como son las máquinas de inducción o síncronas, el devanado de armadura o inducido se encuentra en la porción estacio- naria del motor conocido como el estator, en cuyo caso a estos devanados también se les denominará devanados estatóricos. La figura 4.1 muestra un devanado estatórico de un enor- me motor síncrono trifásico multipolar enconstrucción. Dentro de una máquina de corriente directa, el devanado de armadura o inducido se en- cuentra en el miembro que gira, denominado rotor. La figura 4.2 muestra un rotor de una máquina de corriente directa. Como se analizará, el devanado de armadura o inducido de una máquina de corriente directa consiste en varias bobinas conectadas entre sí para formar una curva cerrada. Mientras el rotorgira, se emplea un contacto mecánico de rotación para abaste- cer de corriente al devanado de armadura o inducido. 175
2. 176 CAPíTULO 4 Introducción a las máquinas de rotación Figura 4.1 Estator de un genera- dor hidroeléctricotrifásico de 190 MVA, 12 kV 37 r/min. Losconductores presentanranuras huecas pordonde circula el aguade enfriamiento.(Brown BoveriCorporation.) Las máquinas síncronas y decorriente directa por lo general incluyen un devanado secun- dario (o un conjunto de devanados) que llevan corriente directa y se utilizan para producir el flujo principal de operación en la máquina. A un devanado como éste comúnmente se le deno- mina devanado de excitación. En una máquina de corriente directa, el devanado de excitación casi siempre se localiza en el estator, mientras que en unamáquina síncrona dicho devanado se ubica en el motor, en cuyo caso la corriente deberá abastecer al devanado de excitación a través de un contacto de rotación mecánica. Como se ha estudiado, los imanes permanentes también producen un flujo magnético de corriente directa y se emplean en lugar de los devanados de excitación en algunas máquinas. En la mayoría de las máquinas de rotación, el estator yel rotar se fabrican de acero eléc- trico, y los devanados se instalan en ranuras elaboradas en dichas estructuras. Como se estudió en el capítulo 1, la utilización de estos materiales de alta permeabilidad maximiza el acopla- miento entre las bobinas e incrementa la densidad de energía magnética que se asocia con la interacción electromecánica. Este hecha también permite al diseñador de...