Campo magnético giratorio
El principio fundamental de funcionamiento de las máquinas de CA es la generación de un campo magnético giratorio, que hace que el rotor gire a una velocidad que depende de la velocidad de rotación del campo magnético.
Ahora explicaremos cómo se puede generar un campo magnético giratorio en el estator y en el entrehierro de una máquina de CA mediante corrientes alternas.
Considere el estator mostrado en la figura 1, que soporta los devanados a-a′, b-b′ y c-c′. Las bobinas están separadas geométricamente 120◦, y se aplica una tensión trifásica a las bobinas. Las corrientes generadas por una fuente trifásica también están espaciadas 120◦, como se ilustra en la figura 2 siguiente.
Las tensiones de fase referidas al borne neutro vendrían entonces dadas por las expresiones //
donde ωe es la frecuencia de la alimentación de CA o frecuencia de la línea. Las bobinas de cada devanado están dispuestas de tal manera que la distribución de flujo generada por cualquier devanado es aproximadamente sinusoidal.
Dicha distribución de flujo puede obtenerse disponiendo adecuadamente grupos de bobinas para cada devanado sobre la superficie del estator. Como las bobinas están separadas 120◦, la distribución de flujo resultante de la suma de las contribuciones de los tres devanados es la suma de los flujos debidos a los devanados separados, como se muestra en la figura 3.
Así, el flujo en una máquina trifásica gira en el espacio según el diagrama vectorial de la figura 4, y el flujo es constante en amplitud. Un observador estacionario en el estator de la máquina vería una distribución de flujo que varía sinusoidalmente, como se muestra en la figura 3.
Como el flujo resultante de la figura 3 es generado por las corrientes de la figura 2, la velocidad de rotación del flujo debe estar relacionada con la frecuencia de las corrientes de fase sinusoidales. En el caso del estator de la figura 1, el número de polos magnéticos resultantes de la configuración del devanado es 2.
Sin embargo, también es posible configurar los devanados para que tengan más polos. Por ejemplo, la figura 5 representa una vista simplificada de un estator de cuatro polos.
En general, la velocidad del campo magnético giratorio viene determinada por la frecuencia de la corriente de excitación f y por el número de polos presentes en el estator p según
donde ns (o ωs) suele llamarse velocidad de sincronización.
Ahora, la estructura de los devanados en la discusión anterior es la misma si la máquina de CA es un motor o un generador. La distinción entre los dos depende de la dirección del flujo de potencia. En un generador, el par electromagnético es un par de reacción que se opone a la rotación de la máquina; éste es el par contra el que trabaja el motor principal.
Como se ha descrito anteriormente, el campo magnético del estator gira en una máquina de corriente alterna, y por lo tanto el rotor no puede «alcanzar» el campo del estator y está en constante persecución del mismo.
La velocidad de rotación del rotor dependerá, por tanto, del número de polos magnéticos presentes en el estator y en el rotor.
La magnitud del par producido en la máquina es función del ángulo γ entre los campos magnéticos del estator y del rotor. Las expresiones precisas para este par dependen de cómo se generen los campos magnéticos y se darán por separado para los dos casos de máquinas síncronas y de inducción.
Lo que es común a todas las máquinas rotativas es que el número de polos del estator y del rotor debe ser idéntico si se quiere generar algún par. Además, el número de polos debe ser par, ya que para cada polo norte debe haber un polo sur correspondiente.
Una característica importante deseada en una máquina eléctrica es la capacidad de generar un par electromagnético constante.
Con una máquina de par constante, se pueden evitar las pulsaciones de par que podrían provocar vibraciones mecánicas no deseadas en el propio motor y en otros componentes mecánicos acoplados al motor (por ejemplo, cargas mecánicas, como husillos o transmisiones por correa). No siempre se puede conseguir un par constante, aunque se demostrará que es posible lograr este objetivo cuando las corrientes de excitación son multifásicas.
Una regla general, a este respecto, es que es deseable, en la medida de lo posible, producir un flujo constante por polo.