Glosario de términos técnicos

Ancho del paquete#

El ancho del paquete es el ancho del núcleo laminado del estator, medido transversalmente a la dirección de avance. El área del estator frente a la placa de reacción es este ancho por la longitud del estator, de modo que empuje y potencia escalan aproximadamente con él mientras la velocidad no cambia. Un paquete más ancho da más fuerza con el mismo paso polar y frecuencia, a costa de más hierro, cobre y peso, y la placa debe ser al menos igual de ancha para evitar efectos de borde transversales.

↑ Al aumentarlo: El empuje sube casi en proporción al ancho, y también la corriente magnetizante y la potencia de entrada con la misma tensión.

Unidad

mm

Ángulo de cargaδ#

En una máquina síncrona el rotor no se desliza; en cambio se retrasa (motor) o se adelanta (generador) respecto al campo del estátor en el ángulo de carga δ. El par es proporcional a sen δ, con máximo en 90° eléctricos en una máquina de rotor liso (antes en una de polos salientes). Más allá la máquina pierde el sincronismo y se desengancha; el margen de estabilidad es lo que falta para ese límite.

↑ Al aumentarlo: La máquina entrega más par o potencia, hasta el límite de estabilidad cercano a 90°.

Unidad

°

Fórmula

P = 3 · V · E_f · sin δ / X_s

Típico

0–90°

Ángulo de conexión#

En un motor de reluctancia conmutada, una fase produce par positivo mientras su inductancia aumenta, cuando el polo del rotor se acerca a alinearse con el del estátor. El ángulo de conexión es la posición del rotor en la que la fase empieza a energizarse. Conectar pronto da tiempo a que la corriente suba antes de que llegue el polo, lo que importa a alta velocidad, cuando la fuerza contraelectromotriz se opone al aumento. Si es demasiado pronto, la corriente circula más tiempo del necesario y añade pérdidas sin mucho par.

↑ Al aumentarlo: La fase se conecta más tarde, así que se acumula menos corriente antes de alinear los polos: menos par y menor corriente de pico.

Unidad

°

Ángulo de corrienteθ_i#

El ángulo del vector de corriente del estator medido desde el eje d; determina cómo se reparte la corriente entre flujo y par.

↑ Al aumentarlo: Cerca de 45° da el máximo par por amperio; un ángulo menor favorece el flujo y uno mayor aumenta la demanda de par y la tensión necesaria.

Unidad

°

Fórmula

θ_i = atan(i_q / i_d)

Ángulo de desconexión#

El ángulo de desconexión es la posición del rotor en la que se retira la tensión de fase. Después la corriente no desaparece de golpe: decae por los diodos de libre circulación mientras la inductancia del devanado se resiste al cambio. Si la corriente sigue circulando cuando el rotor pasa la alineación y la inductancia empieza a bajar, produce par negativo (de frenado). Por eso el ángulo de desconexión debe ser lo bastante temprano para que la corriente de cola se extinga y lo bastante tardío para aprovechar la zona de inductancia creciente.

↑ Al aumentarlo: La fase conduce más tiempo: al principio suma par, pero la corriente puede seguir circulando cuando empieza el par negativo, lo que baja el rendimiento.

Unidad

°

Ángulo de disparo del triacα#

El ángulo de disparo es el retardo, medido desde el paso por cero de la tensión alterna, con el que se dispara el triac. Hasta que dispara, el motor no recibe tensión; después el triac conduce hasta que la corriente se anula. A 0° el motor ve la senoide completa y, al crecer el ángulo, baja la tensión eficaz (cerca del 70 % a 90° con carga resistiva). La onda recortada añade armónicos y rizado de par, el precio de este control de velocidad económico.

↑ Al aumentarlo: El triac conduce durante una parte más corta de cada semiciclo, así que la tensión eficaz, el par y la velocidad disminuyen.

Unidad

°

Típico

0–180°

Ángulo de paso#

El ángulo de paso es lo que gira el eje por cada pulso enviado al controlador. Los motores paso a paso híbridos típicos tienen 1,8° (200 pasos por vuelta) o 0,9° (400 pasos), según el número de dientes del rotor. El micropaso divide aún más el paso completo dando forma a las corrientes de los devanados, lo que suaviza el movimiento y afina el posicionamiento, aunque esa resolución extra no aporta la misma exactitud ni par. Con una frecuencia de pasos dada, un ángulo de paso mayor significa un eje más rápido.

↑ Al aumentarlo: Cada pulso gira más el eje: la resolución es más gruesa y el movimiento menos suave, pero la misma frecuencia de pasos da más velocidad.

Unidad

°

Fórmula

N = 360° / θ

Típico

0.9–1.8°

Ángulo de paso de palaβ#

Ángulo al que se giran las palas sobre su eje longitudinal; modificarlo cambia la potencia de viento que capta el rotor.

↑ Al aumentarlo: Aumentar el ángulo de paso reduce el Cp y la potencia captada; así limita la turbina potencia y velocidad por encima de la velocidad nominal del viento.

Unidad

°

Ángulo del sincronoscopio#

El sincronoscopio muestra el ángulo de fase entre la tensión del generador y la de la red. Si el generador es algo más rápido que la red, el ángulo sigue creciendo y la aguja gira en un sentido; si es más lento, gira en el contrario. El objetivo es ajustar la velocidad hasta que la aguja gire muy despacio y cerrar el interruptor al pasar por cero. Cerrar con un ángulo distinto de cero produce un pico de corriente y una sacudida de par hasta que la máquina entra en sincronismo.

↑ Al aumentarlo: Un ángulo mayor indica tensiones más desfasadas; cerrar entonces el interruptor causaría una corriente y un choque de par mayores.

Unidad

°

Típico

0°

Autoexcitación#

Un generador en derivación alimenta su propio devanado de campo desde su salida; el magnetismo remanente inicia la tensión, que luego crece por sí sola.

↑ Al aumentarlo: La tensión solo se establece con flujo remanente, campo conectado con la polaridad correcta y resistencia de campo y velocidad dentro de los límites.

Carga de lámparas#

Un banco de lámparas es una carga resistiva cómoda: cada lámpara conectada es otra resistencia en paralelo, por lo que la resistencia total baja y la corriente de carga sube. La corriente del inducido sube con ella y la tensión en bornes cae por la caída en la resistencia del inducido y por la reacción del inducido. En un generador en derivación, la menor tensión en bornes reduce además la corriente de campo, y la tensión cae más que en una máquina de excitación independiente.

↑ Al aumentarlo: Cada lámpara añadida toma más corriente y la tensión en bornes cae más; en un generador en derivación el campo más débil agrava la caída.

Carga eléctrica#

En isla, el generador es la única fuente, así que los consumidores deciden cuánta potencia activa debe entregar. Una carga mayor tiende a frenar el rotor porque el par eléctrico supera al de la turbina, y el regulador de velocidad debe abrir la turbina para recuperar la frecuencia. La corriente de carga provoca además una caída de tensión en la impedancia del estátor, que el regulador automático de tensión compensa subiendo la excitación. Una carga superior a la nominal sobrecalienta la máquina o supera la capacidad de la turbina.

↑ Al aumentarlo: En isla, si no se aumenta la potencia de la turbina caen la velocidad y la frecuencia; si no se sube la excitación, cae también la tensión.

Unidad

kW

Carga mecánica#

La carga mecánica es el par que la máquina accionada, como una bomba, un ventilador o una cinta, pide al eje; aquí se da como porcentaje del par nominal. El motor se estabiliza donde su par iguala el par de carga: el de inducción lo logra deslizándose, el de CC tomando más corriente de inducido y el síncrono aumentando su ángulo de carga. Por encima del 100 % el motor está sobrecargado y se calienta, y más allá de su par máximo o de bloqueo se detiene.

↑ Al aumentarlo: El motor toma más corriente y se calienta; la velocidad baja un poco (más deslizamiento en inducción) y en uno síncrono crece el ángulo de carga.

Unidad

%

Típico

0–120 %

Ciclo de trabajo PWM#

La modulación por ancho de pulso conecta y desconecta el bus de CC miles de veces por segundo. El ciclo de trabajo D es la fracción de cada periodo en que el interruptor está cerrado, de modo que la tensión media es D por la tensión del bus. La inductancia del motor alisa la corriente, que responde a la media y no a cada pulso. Con 100 % el motor ve toda la tensión del bus, y con 0 % ninguna.

↑ Al aumentarlo: El motor ve una tensión media mayor, así que su velocidad y su par suben, y también la corriente.

Unidad

%

Fórmula

V_avg = D · V_dc

Típico

0–100 %

Circuito equivalente#

Un circuito equivalente sustituye los devanados, el hierro y el entrehierro por unas pocas resistencias y reactancias, de modo que corrientes, par y pérdidas se calculan con análisis de circuitos normal. El modelo por fase del motor de inducción tiene resistencia y dispersión del estátor, una rama de magnetización y una rama de rotor con resistencia R_r / s. Los simuladores resuelven estos modelos; suponen hierro lineal y parámetros constantes.

↑ Al aumentarlo: No es un solo mando: cada elemento (resistencia, reactancia) cambia corriente, par o pérdidas a su manera.

Coeficiente de acoplamientok#

El coeficiente de acoplamiento k es la fracción del flujo producido por un devanado que también enlaza al otro, con k = M / √(L₁ · L₂). Un transformador ideal tiene k = 1. En uno real parte del flujo se dispersa por el aire y enlaza solo un devanado, lo que aparece como inductancia de dispersión (1 − k) · L y provoca una caída de tensión con carga. Los transformadores de potencia con núcleo de hierro alcanzan 0,95 a 0,99, mientras que las bobinas con núcleo de aire y las débilmente acopladas, como en la carga inalámbrica, tienen valores mucho menores.

↑ Al aumentarlo: Más flujo enlaza ambos devanados, hay menos inductancia de dispersión y la tensión de salida cae menos con carga.

Típico

0.9–0.99

Coeficiente de potencia (Cp)C_p#

Fracción de la potencia cinética del viento que capta el rotor; nunca puede superar el límite de Betz de 16/27 ≈ 0,593.

↑ Al aumentarlo: Un Cp mayor significa que más potencia del viento se convierte en mecánica; depende de la relación de velocidad en la punta y del ángulo de paso.

Fórmula

P = ½ · ρ · A · v³ · C_p

Típico

0.35-0.48 in practice; Betz limit 0.593

Color del LED#

El color de un LED lo fija la banda prohibida del semiconductor, ya que el fotón se emite con una energía cercana a E_g y longitud de onda λ ≈ 1240 / E_g (nm, con E_g en eV). Los LED rojos usan AlGaInP o GaAsP con una banda cercana a 1,9 eV, los verdes y azules InGaN con unos 2,5 a 3,0 eV, y el blanco suele ser un LED azul con fósforo. Una banda más ancha implica mayor tensión directa, de unos 1,8 V en el rojo a más de 3 V en el azul, por lo que hay que recalcular la resistencia en serie al cambiar de color.

↑ Al aumentarlo: Elegir una longitud de onda más corta (de rojo a azul) sube la tensión directa: hace falta más alimentación y con la misma resistencia circula menos corriente.

Condensador de arranque#

Condensador grande en serie con el devanado auxiliar al arrancar; un interruptor centrífugo lo desconecta cuando el motor casi alcanza su velocidad nominal.

↑ Al aumentarlo: Un valor mayor aumenta par y corriente de arranque, pero uno excesivo calienta el devanado auxiliar. A diferencia del de marcha, solo actúa al arrancar.

Unidad

µF

Condensador de marcha#

Un devanado monofásico solo produce un campo pulsante, no giratorio. Un condensador en serie con el devanado auxiliar adelanta su corriente respecto a la del principal, y cuando ambas están a unos 90° en tiempo y espacio el campo gira de forma casi circular. El condensador de arranque es grande y se desconecta tras el arranque; el de marcha es menor y permanece conectado para mejorar par, rendimiento y factor de potencia.

↑ Al aumentarlo: Par y rendimiento mejoran hasta que el campo es casi circular; más allá de ese óptimo la corriente auxiliar crece demasiado y el campo vuelve a ser elíptico.

Unidad

µF

Conexión del campo#

En un generador de excitación independiente, el devanado de campo se alimenta de una fuente de CC propia, por lo que el flujo no depende de la tensión del inducido. En uno en derivación (autoexcitado), el campo se conecta a los bornes del inducido y la máquina debe crear su propia tensión a partir del magnetismo remanente. La autoexcitación ahorra la fuente adicional, pero la tensión cae más con la carga, porque una menor tensión en bornes también debilita el campo.

↑ Al aumentarlo: Pasar de excitación independiente a derivación hace que la tensión dependa del propio inducido: puede no establecerse y cae más con la carga.

Consigna de velocidad#

La consigna de velocidad es la velocidad objetivo del variador, dada como porcentaje de la velocidad base, aquella en que el motor alcanza la tensión nominal. Por debajo de la velocidad base el variador sube tensión y frecuencia a la vez, así que el flujo y el par máximo se mantienen constantes. Por encima del 100 % la tensión está limitada y se aplica debilitamiento de campo: el par disponible cae aproximadamente como 1/n y la potencia se mantiene casi constante, hasta llegar al límite de par máximo.

↑ Al aumentarlo: El variador pide más velocidad; por encima del 100 % se debilita el flujo y baja el par disponible.

Unidad

%

Constante de parK_t#

La constante de par relaciona corriente y par: T = K_t · I. En las máquinas de corriente continua de imanes permanentes o de excitación independiente depende del flujo y del devanado, y en unidades SI vale lo mismo que la constante de fuerza contraelectromotriz K_e en V·s/rad. Un K_t alto da más par con menos corriente, pero también más fuerza contraelectromotriz y, por tanto, menor velocidad en vacío.

↑ Al aumentarlo: Cada amperio da más par, pero también sube la fuerza contraelectromotriz y baja la velocidad en vacío.

Unidad

N·m/A

Fórmula

T = K_t · I

Control de velocidad#

El coeficiente de potencia de un rotor es máximo para una relación de velocidad en punta concreta, la relación entre la velocidad de la punta de la pala y la del viento. En modo MPPT un seguidor fija la velocidad del rotor para que la relación se mantenga en ese óptimo al cambiar el viento, dentro de los límites de deslizamiento que admite el convertidor. En modo manual el usuario ajusta la velocidad del rotor dentro de la ventana de deslizamiento; lejos de la relación óptima la turbina capta menos potencia de la posible. Por encima del viento nominal, el control de paso limita la potencia en ambos modos.

↑ Al aumentarlo: Pasar de manual a MPPT lleva el punto de trabajo a la curva de relación en punta óptima, y se capta más potencia por debajo del viento nominal.

Corriente de codoI_ZK#

La corriente de codo I_ZK es la menor corriente Zener con la que la región de ruptura sigue siendo nítida. Por debajo, la curva V-I se redondea, la resistencia dinámica crece y la tensión de salida cae por debajo de V_Z. En un regulador en paralelo la corriente del diodo es (V_alimentación − V_Z) / R_s − I_carga, así que la resistencia en serie debe elegirse para que se mantenga por encima de I_ZK incluso con la tensión mínima y la corriente de carga máxima.

↑ Al aumentarlo: El Zener solo regula a partir de una corriente mayor, así que la resistencia en serie debe dejar pasar más corriente y se desperdicia más potencia.

Unidad

mA

Típico

0.1–5 mA

Corriente de drenadorI_D#

La corriente que circula por el canal del drenador a la fuente; es la corriente de salida del MOSFET y la controla la tensión de puerta.

↑ Al aumentarlo: Es cero bajo la tensión umbral y luego crece con V_GS y, en la región óhmica, con V_DS; en saturación queda casi constante.

Unidad

A

Fórmula

I_D = K·(V_GS − V_th)² (saturation)

Corriente de excitaciónI_f#

La corriente de excitación magnetiza el rotor (o el sistema de polos) de una máquina con campo bobinado. Fija la fem generada internamente, así que en un generador sube la tensión en bornes. En una máquina síncrona además gobierna la potencia reactiva: subexcitada la absorbe y sobreexcitada la entrega; la curva en V muestra la corriente de inducido frente a la de excitación.

↑ Al aumentarlo: El flujo y la fem interna crecen: sube la tensión del generador y el motor síncrono pasa hacia reactiva en adelanto.

Unidad

A

Corriente de faseI_ph#

Corriente en un devanado (fase) del estator; su valor sigue al par y determina las pérdidas en el cobre y el tamaño del variador.

↑ Al aumentarlo: Más par de carga o un factor de potencia menor la elevan; la pérdida en el cobre crece con su cuadrado, y el devanado se calienta más rápido que la corriente.

Unidad

A

Fórmula

I_ph = P / (√3·V_LL·cosφ) (three-phase)

Corriente de inducidoI_a#

Corriente en el devanado del inducido, la parte de la máquina que lleva la corriente de carga y produce (o absorbe) el par.

↑ Al aumentarlo: El par es proporcional a la corriente de inducido, así que más carga la eleva; el exceso calienta el devanado y, en un motor, castiga el colector.

Unidad

A

Fórmula

I_a = (V − E) / R_a

Corriente de saturaciónI_S#

La corriente de saturación I_S es el factor de escala de la ecuación de Shockley I = I_S·(e^{V / nV_T} − 1) y, con una tensión muy negativa, la diminuta corriente inversa del diodo ideal. Para una corriente directa dada, la tensión es V = nV_T·ln(I / I_S), así que una I_S mayor implica una tensión directa menor. Depende del semiconductor y del área de la unión y se duplica aproximadamente por cada 5 a 10 °C de aumento de temperatura, por lo que la tensión directa baja unos 2 mV por kelvin.

↑ Al aumentarlo: La curva directa se desplaza a menor tensión, el diodo se activa antes y la fuga inversa también es mayor.

Unidad

A

Típico

1 pA–1 µA

Corriente del secundarioI₂#

Corriente que la carga toma del devanado secundario; se refleja al primario dividida por la relación de espiras.

↑ Al aumentarlo: Una menor resistencia de carga demanda más corriente, lo que eleva la corriente primaria, la pérdida en el cobre y la caída en los devanados.

Unidad

A

Fórmula

I₂ = V₂ / R_load

Corriente directa máximaI_F(max)#

La corriente directa máxima I_F(max) es la mayor corriente continua con la que la temperatura de la unión se mantiene dentro de su límite. El calor en el diodo es sobre todo V_F · I_F, así que el límite depende de la resistencia térmica y de la temperatura ambiente. Los pulsos cortos pueden superarla, según un valor de sobrecorriente aparte. Un diodo de señal admite de decenas a cientos de miliamperios, un LED típico de 5 mm de 20 a 30 mA y un rectificador de potencia varios amperios.

↑ Al aumentarlo: El diodo puede llevar más corriente continua, de modo que se admite una resistencia en serie menor antes de que se sobrecaliente.

Unidad

A

Corriente máxima de drenadorI_D(max)#

La corriente máxima de drenador I_D(max) es la mayor corriente para la que está especificado el MOSFET, limitada por los hilos de conexión, la metalización y, sobre todo, el calentamiento. El valor continuo supone la cápsula a 25 °C, así que en la práctica la corriente utilizable es menor y baja con la temperatura. Los pulsos cortos pueden ser varias veces mayores. En el simulador la corriente de drenador se recorta a este valor, que es cómo aparece el techo de corriente de un dispositivo real.

↑ Al aumentarlo: El MOSFET admite cargas más pesadas antes de llegar al límite de corriente, aunque un dispositivo mayor suele costar más.

Unidad

A

Corriente nominalI_n#

La corriente nominal es la corriente de línea a tensión, frecuencia y carga nominales, y determina el calentamiento de los devanados. La corriente de arranque directo de un motor de inducción suele ser de cinco a ocho veces mayor, de ahí los arrancadores. Las protecciones se eligen en relación con este valor.

↑ Al aumentarlo: Se permite más carga continua y la advertencia de sobrecarga salta más tarde.

Unidad

A

Corrientes de ejes d-qi_d, i_q#

La corriente del estator descompuesta, en el marco giratorio del rotor, en una parte del eje d que crea el flujo y otra del eje q que produce el par.

↑ Al aumentarlo: El par es proporcional al producto i_d·i_q, así que con una corriente dada es máximo cuando ambas son casi iguales (ángulo de corriente de 45°).

Unidad

A

Fórmula

T = 1.5·p·(L_d − L_q)·i_d·i_q

Debilitamiento de campo#

La fuerza contraelectromotriz crece con la velocidad y el flujo, y por encima de la velocidad base superaría lo que puede dar el variador o la red. El debilitamiento de campo reduce el flujo (en una máquina de reluctancia o de imanes inyectando corriente negativa en el eje d) para que la velocidad siga subiendo. El precio es el par: cae aproximadamente con 1/velocidad, mientras la potencia queda casi constante.

↑ Al aumentarlo: La velocidad puede superar la base, pero el par disponible cae aproximadamente como 1/velocidad.

Densidad de flujo en el núcleoB#

Flujo magnético por unidad de área del núcleo; sigue a la tensión, B = V / (4,44 · f · N · A), y el núcleo se satura si es demasiado alta.

↑ Al aumentarlo: Aumenta con la tensión de alimentación y baja con la frecuencia; cerca de la saturación la corriente de magnetización se dispara y el núcleo se calienta.

Unidad

T

Fórmula

B = V / (4.44 · f · N · A)

Típico

1.2-1.7 T in silicon-steel cores; saturation near 1.8-2 T

Deslizamientos#

El deslizamiento es la diferencia entre la velocidad del campo magnético giratorio y la del rotor, dividida entre la velocidad del campo. El motor de inducción lo necesita: solo un rotor que se retrasa respecto al campo recibe corrientes inducidas y produce par. Vale 100 % con el rotor parado, casi cero en vacío y unos pocos por ciento a carga nominal.

↑ Al aumentarlo: El rotor gira más lento respecto al campo, así que par y corriente rotórica suben hasta cubrir la carga.

Unidad

% / p.u.

Fórmula

s = (n_s - n) / n_s

Típico

1–5 %

Deslizamiento de par máximos_b#

El deslizamiento en que el motor de inducción alcanza su par máximo; más allá, el par cae a medida que el motor frena.

↑ Al aumentarlo: Es proporcional a la resistencia del rotor: añadir resistencia externa desplaza el máximo hacia el reposo y sube el par de arranque, sin cambiar su valor.

Fórmula

s_b = R₂' / √(R₁² + (X₁ + X₂')²)

Devanado auxiliar#

El devanado auxiliar (de arranque) es un segundo devanado del estator situado a 90 grados eléctricos del principal. Alimentado a través de un condensador o una resistencia, su corriente se desfasa respecto a la principal, de modo que ambos devanados crean juntos un campo giratorio y un par de arranque. Sin él, un motor de inducción monofásico solo tiene un campo pulsante y ningún par en reposo, aunque sigue girando si se le lanza. Muchos motores lo desconectan con un interruptor centrífugo tras el arranque.

↑ Al aumentarlo: Añadirlo da al motor un campo giratorio y par de arranque; sin él un motor de inducción monofásico no arranca por sí solo.

Disipación máxima de potenciaP_D(max)#

La disipación máxima de potencia P_D(max) es el calor que el dispositivo puede ceder al entorno sin que la unión supere su límite de temperatura, normalmente 150 °C. Se deduce de P_D(max) = (T_j(max) − T_a) / R_th, por lo que se da para una temperatura ambiente concreta y debe reducirse al subir esta. En un Zener la potencia disipada es V_Z · I_Z, que fija la corriente máxima permitida; en un MOSFET es I_D² · R_DS(on) más las pérdidas de conmutación.

↑ Al aumentarlo: El dispositivo soporta más calor, así que se permite una corriente o caída de tensión mayor antes del sobrecalentamiento.

Unidad

W

Efecto de extremo#

El campo de un motor rotativo se cierra sobre sí mismo, pero el de un motor lineal tiene principio y fin. Al pasar la placa se crean corrientes parásitas en el borde de entrada que no se extinguen al instante, y una onda de frenado distorsiona el flujo y reduce el empuje y el rendimiento. El efecto empeora con la velocidad y con un factor de mérito pequeño; el simulador muestra el empuje con y sin él.

↑ Al aumentarlo: El empuje y el rendimiento caen más por debajo del ideal, sobre todo a mayor velocidad.

EmpujeF#

La fuerza lineal que el primario ejerce sobre el carril de reacción en el sentido del movimiento; el equivalente del par en un motor lineal.

↑ Al aumentarlo: El empuje es máximo cerca del reposo y cae al acercarse a la velocidad síncrona; acelera el vehículo solo mientras supera la fuerza de carga.

Unidad

N

Fórmula

F = P_airgap / v_s

Entrehierrog#

En un motor lineal de inducción el entrehierro g es la distancia entre la cara del estator y la placa de reacción. Es grande en comparación con un motor rotativo, típicamente de varios milímetros a unos pocos centímetros, porque el vehículo debe moverse libremente; por eso la corriente magnetizante es alta y el factor de potencia bajo. Un entrehierro menor aumenta flujo, empuje y factor de mérito, pero exige tolerancias mecánicas más estrictas.

↑ Al aumentarlo: El acoplamiento con la placa se debilita: bajan empuje, factor de potencia y rendimiento, y el factor de mérito disminuye en proporción (G ∝ 1/g).

Unidad

mm

Típico

5–20 mm

Error de seguimiento#

Diferencia entre la posición ordenada y la posición real del eje; el controlador actúa sobre ella para accionar el motor.

↑ Al aumentarlo: Crece con órdenes más rápidas, cargas mayores y menor ganancia del lazo; un error pequeño significa un seguimiento preciso.

Unidad

°

Fórmula

e = θ_cmd - θ_actual

Escalón de carga#

Un escalón de carga cambia de golpe el par de carga en un porcentaje del par nominal mientras corre la simulación. Muestra la respuesta dinámica: la velocidad cae y la corriente salta, y ambas se estabilizan en el nuevo punto de trabajo tras un tiempo fijado por la inercia y la pendiente de la curva par-velocidad. Si la nueva carga supera el par máximo, el motor no se recupera y su velocidad se desploma.

↑ Al aumentarlo: El cambio brusco de velocidad y corriente es mayor; el motor se estabiliza en un nuevo punto de trabajo o se cala si el escalón supera el par máximo.

Unidad

%

Espesor de la placa#

La placa de reacción es donde el campo viajero induce las corrientes parásitas que producen el empuje. La conductividad superficial de una placa delgada es su conductividad por su espesor, σ · d, y el factor de mérito es proporcional a ella, así que una placa más gruesa da un factor de mérito mayor y mejor rendimiento. Las placas gruesas cuestan y pesan más, y más allá de la profundidad a la que penetra el campo, el espesor adicional apenas ayuda.

↑ Al aumentarlo: La placa conduce mejor (más σ · d), así que mejoran factor de mérito, empuje y rendimiento, con rendimientos decrecientes en placas gruesas.

Unidad

mm

Típico

3–10 mm

Espiras del primarioN₁#

El número de espiras del primario N₁ determina cuánto flujo necesita el núcleo para una tensión dada. Según la ley de Faraday, el flujo máximo es Φ = V₁ / (4,44 · f · N₁) con alimentación sinusoidal, así que más espiras dan menor densidad de flujo y menos riesgo de saturar el núcleo. Junto con las espiras del secundario fija la tensión de salida, V₂ = V₁ · N₂ / N₁. Más espiras también añaden resistencia del cobre e inductancia de dispersión y exigen una ventana de bobinado mayor.

↑ Al aumentarlo: El flujo del núcleo y la corriente de magnetización bajan con la misma tensión, y la tensión de salida baja si las espiras del secundario no cambian.

Espiras del secundarioN₂#

El número de espiras del secundario N₂ determina la tensión de salida: con el primario fijo, V₂ = V₁ · N₂ / N₁, de modo que la tensión por espira es la misma en ambos devanados. Duplicar N₂ duplica la tensión de salida en vacío, mientras que la corriente que puede dar el devanado está limitada por la sección del conductor, por lo que un secundario de alta tensión usa hilo fino y muchas espiras. Las tomas del secundario dan varias tensiones de salida con un solo devanado.

↑ Al aumentarlo: La tensión de salida sube en proporción y la corriente de salida para una potencia dada baja.

Excitación del campo#

La excitación del campo es la forma en que se produce el flujo magnético principal de un motor de CC. Un imán permanente da un flujo fijo. Un campo en derivación va en paralelo con el inducido, por lo que flujo y velocidad se mantienen casi constantes. Un campo serie lleva la corriente del inducido, así que el par crece con el cuadrado de la corriente y la velocidad cae mucho con la carga, con riesgo de embalamiento en vacío. Un motor compuesto combina ambos campos. Con campo bobinado, un reóstato puede debilitar el flujo para subir la velocidad.

↑ Al aumentarlo: Cambiarla altera cómo varían velocidad y par con la carga: los de imán y derivación mantienen la velocidad; los serie bajan mucho pero arrancan con par alto.

Factor de conducciónk_n#

El factor de conducción k_n, también llamado parámetro de transconductancia, combina la movilidad de los electrones, la capacidad del óxido de puerta por unidad de área y la relación ancho/largo del canal W / L: k_n = µ_n · C_ox · W / L. En saturación el simulador usa I_D = ½ · k_n · (V_GS − V_th)², de modo que duplicar k_n duplica la corriente. Un canal ancho y corto da una k_n grande, por eso los MOSFET de potencia están formados por miles de celdas en paralelo.

↑ Al aumentarlo: La corriente de drenador con la misma sobretensión crece en proporción y el MOSFET es un interruptor más fuerte y de menor resistencia.

Unidad

A/V²

Fórmula

I_D = ½·k_n·(V_GS − V_th)²

Factor de idealidadn#

El factor de idealidad n aparece en la ecuación de Shockley I = I_S·(e^{V / nV_T} − 1), con V_T ≈ 26 mV a temperatura ambiente. Es cercano a 1 cuando domina la difusión, como en muchas uniones de silicio con corriente moderada, y se acerca a 2 cuando domina la recombinación en la zona de agotamiento, normalmente a baja corriente. Los diodos y LED reales suelen estar entre 1 y 2. Una n mayor estira la exponencial: cada aumento de diez veces en la corriente exige n veces 60 mV en lugar de 60 mV.

↑ Al aumentarlo: La curva directa se vuelve menos empinada: hace falta más tensión para la misma corriente y el diodo parece activarse más tarde.

Fórmula

I = I_S·(e^{V / nV_T} − 1)

Típico

1–2

Factor de méritoG#

El factor de mérito G, introducido por Laithwaite, combina frecuencia, paso polar, entrehierro y la conductividad y espesor de la placa de reacción. Un G alto implica campo magnetizante fuerte, pocas pérdidas por deslizamiento y buen rendimiento; un G pequeño da una máquina débil y con pérdidas. Como el paso polar entra al cuadrado, las máquinas de paso largo son mejores por naturaleza.

↑ Al aumentarlo: El motor acopla mejor con la placa: mejoran empuje, rendimiento y velocidad máxima.

Fórmula

G = 2 μ₀ σ d f τ² / (π g)

Factor de potenciacos φ#

El factor de potencia es la potencia activa dividida entre la aparente. Un valor menor que uno significa que parte de la corriente solo magnetiza la máquina y oscila sin realizar trabajo, cargando la red. Los motores de inducción trabajan con factor de potencia en retraso, peor con poca carga; las máquinas síncronas sobreexcitadas pueden hacerlo en adelanto.

↑ Al aumentarlo: Se desperdicia menos corriente reactiva, y la red lleva menos corriente para la misma potencia activa.

Fórmula

PF = P / S

Típico

0–1

Factor de potencia de la cargacos φ_load#

El factor de potencia de la carga indica qué parte de la corriente es reactiva. Una carga inductiva (en retraso), como los motores, toma del generador potencia reactiva inductiva y, por su reacción del inducido desmagnetizante, hace caer la tensión en bornes mucho más que una resistiva, así que hay que subir la excitación para mantenerla. Una carga capacitiva (en adelanto) hace lo contrario y puede incluso elevar la tensión por encima de su valor en vacío. Por eso la regulación de tensión de un generador síncrono depende tanto del factor de potencia como de la corriente de carga.

↑ Al aumentarlo: Un factor de potencia más cercano a 1 implica menos corriente reactiva: la tensión cae menos y se necesita menos excitación para mantenerla.

Típico

0.8–1

Factor de potencia nominalcos φ_n#

El factor de potencia nominal relaciona la potencia aparente con la activa de la placa, P_n = S_n · cos φ_n. Los generadores síncronos suelen especificarse entre 0,8 y 0,95 en retraso, porque las redes y sus cargas son sobre todo inductivas y necesitan potencia reactiva. Un factor de potencia nominal más bajo implica una máquina mayor, con un devanado de campo más potente, para la misma potencia activa.

↑ Al aumentarlo: La potencia activa nominal sube para los mismos kVA, mientras baja la potencia reactiva para la que se ha diseñado la máquina.

Típico

0.8–0.95

FEM de excitaciónE_f#

Tensión inducida en los devanados del inducido por el flujo del campo giratorio; es la tensión interna de la fuente tras la impedancia propia.

↑ Al aumentarlo: Sube con la corriente de campo y la velocidad. Su tamaño frente a la tensión en bornes fija la reactiva y, con el ángulo de carga, la activa.

Unidad

V

Fórmula

E_f = k·Φ_f·n

Frecuencia de alimentación o de redf#

La frecuencia de alimentación f fija la rapidez con que gira el campo del estator, n_s = 120 · f / p. En los motores de inducción y síncronos la velocidad del eje la sigue, y así controlan la velocidad los variadores de frecuencia. Subir la frecuencia sin subir la tensión reduce el flujo (baja la relación V/f) y el par disponible, y la reactancia del devanado X = 2π · f · L crece. En una red la frecuencia es común a todas las máquinas y refleja el equilibrio entre generación y demanda.

↑ Al aumentarlo: El campo y la velocidad del motor suben en proporción, mientras la reactancia crece y el flujo (V/f) baja si no se sube también la tensión.

Unidad

Hz

Típico

50 / 60 Hz

Frecuencia de pasos#

La frecuencia de pasos f es el número de pulsos por segundo que recibe el controlador, y la velocidad del eje la sigue directamente: n = 60 f / N revoluciones por minuto para N pasos por vuelta, así que 1000 pps en un motor de 200 pasos dan 300 rpm. Al subir la frecuencia, la corriente tiene menos tiempo para crecer frente a la inductancia y la fuerza contraelectromotriz aumenta, por lo que el par disponible cae. Si el par de carga lo supera, o la frecuencia cambia demasiado bruscamente, el rotor pierde pasos; por eso se acelera con una rampa.

↑ Al aumentarlo: El motor gira más rápido en proporción, pero el par cae con la frecuencia y por encima de un límite el rotor pierde pasos.

Unidad

pps

Fórmula

n = 60 · f / N

Frecuencia del rotorf_r#

Frecuencia de las corrientes del circuito del rotor, igual al deslizamiento por la frecuencia de red; es cero a velocidad síncrona.

↑ Al aumentarlo: Crece al alejarse de la velocidad síncrona. En un generador doblemente alimentado, el convertidor debe aplicar al rotor exactamente esta frecuencia.

Unidad

Hz

Fórmula

f_r = s · f

Frecuencia eléctricaf_e#

Frecuencia de las corrientes de fase y de la fuerza contraelectromotriz; es el número de pares de polos por la velocidad mecánica en revoluciones por segundo.

↑ Al aumentarlo: Aumenta en proporción a la velocidad, y con más pares de polos la misma velocidad de eje exige una frecuencia eléctrica mayor del variador.

Unidad

Hz

Fórmula

f_e = p · n / 60

Frecuencia nominalf_n#

La frecuencia nominal es la frecuencia de alimentación para la que valen los datos de la placa. Junto con el número de polos fija la velocidad síncrona. Funcionar a menor frecuencia con la misma tensión aumenta el flujo y puede saturar el núcleo; por eso los variadores mantienen constante la relación tensión/frecuencia.

↑ Al aumentarlo: La velocidad síncrona sube; con la misma tensión el flujo baja y el par se debilita.

Unidad

Hz

Típico

50 or 60 Hz

Fuerza contraelectromotrizE#

Todo motor es también un generador: su campo giratorio induce en los devanados una tensión que se opone a la alimentación. Esta fuerza contraelectromotriz es proporcional a la velocidad, E = K_e · ω, así que la corriente es I = (V - E) / R y baja al acelerar. En vacío la velocidad sube hasta que la fuerza contraelectromotriz casi iguala la tensión de alimentación.

↑ Al aumentarlo: Queda menos tensión para impulsar corriente: el motor consume menos corriente y baja su par.

Unidad

V

Fórmula

E = K_e · ω

Fuerza normalF_n#

La fuerza perpendicular al movimiento que atrae el primario hacia el carril de reacción a través del entrehierro.

↑ Al aumentarlo: No realiza trabajo útil pero carga guías y cojinetes; es mucho mayor que el empuje y aumenta al reducirse el entrehierro.

Unidad

N

Fuerza opuestaF_load#

La fuerza opuesta es la resistencia constante que el empuje debe vencer antes de que el vehículo acelere: rozamiento de rodadura, una pendiente (m · g · sin α) o una carga remolcada. El vehículo alcanza una velocidad estable donde el empuje iguala esta fuerza, y si la fuerza opuesta supera el empuje en reposo, no se mueve. Como el empuje de un motor de inducción cae hacia cero cerca de la velocidad síncrona, una fuerza opuesta mayor implica más deslizamiento a velocidad estable y más pérdidas en la placa.

↑ Al aumentarlo: La fuerza neta que acelera el vehículo baja: acelera más despacio y se estabiliza a menor velocidad, con más deslizamiento, donde el empuje iguala la carga.

Unidad

N

Ganancia del lazo de posiciónK_p#

En un servo, el lazo de posición convierte el error de posición, la diferencia entre el objetivo y la lectura del codificador, en una consigna de velocidad: cuanto mayor es la ganancia, más velocidad se pide para el mismo error. La ganancia fija aproximadamente el ancho de banda del lazo, y el error de seguimiento a velocidad constante es la velocidad dividida entre la ganancia. Subir la ganancia endurece el eje y reduce el error, pero los retardos del lazo de velocidad y de la mecánica acaban provocando sobreoscilación y oscilaciones.

↑ Al aumentarlo: El eje responde más deprisa y sigue mejor la consigna, pero con demasiada ganancia sobreoscila y oscila.

Inercia de la cargaJ_load#

La inercia de la carga se da como múltiplo de la propia inercia del rotor J_motor. La aceleración es α = (T_motor − T_carga) / (J_motor + J_carga), así que una inercia grande, como un volante o un ventilador grande, hace lento el arranque pero también suaviza las variaciones de velocidad. La energía cinética almacenada, ½ · J · ω², se disipa en gran parte como calor en el rotor durante el arranque, de modo que una inercia muy alta puede sobrecalentar el motor aunque la carga en régimen sea pequeña.

↑ Al aumentarlo: El arranque dura más y la velocidad reacciona más despacio a los cambios de carga; la corriente de arranque fluye más tiempo y el devanado se calienta más.

Unidad

× J_motor

Intensidad luminosaI_v#

Brillo del LED en una dirección dada; es aproximadamente proporcional a la corriente directa y aquí se muestra como porcentaje de su valor nominal.

↑ Al aumentarlo: Más corriente directa hace el LED más brillante, hasta que el calentamiento y el límite de corriente lo frenan; una unión más caliente emite algo menos.

Unidad

mcd

Interruptor#

El interruptor del generador conecta la máquina a la red y puede desconectarla de nuevo, también en caso de falta. Cerrarlo con tensiones, frecuencias o ángulos de fase distintos provoca una gran corriente de compensación entre la máquina y la red y un choque de par en el eje. Por eso solo se cierra cuando el sincronoscopio muestra al generador en fase con la red. Justo después de cerrar, el generador queda flotando en la red y entrega casi nada de potencia hasta que se aumenta la de la turbina.

↑ Al aumentarlo: Cerrarlo conecta el generador a la red: con buena coincidencia toma carga suavemente; si no coincide, provoca un golpe de corriente y un choque mecánico.

Límite de estabilidadP_max#

Máxima potencia que una máquina síncrona puede intercambiar con la red (ángulo de carga de 90°); el margen indica cuán lejos está el punto de operación.

↑ Al aumentarlo: Más excitación eleva el límite y el margen; una carga mayor reduce el margen y acerca el ángulo de carga a 90°, donde se pierde el sincronismo.

Unidad

W

Fórmula

margin = (P_max - P) / P_max

Longitud de la vía#

La longitud de la vía es la distancia a lo largo de la cual se instalan los tramos de estator, así que el empuje actúa solo en ella. El simulador indica el tiempo hasta el final de la vía y la velocidad allí. En una vía corta el vehículo sale con la velocidad que haya ganado, v = √(2 · a · L) con aceleración constante; en una larga se acerca a la velocidad estable en la que el empuje iguala la fuerza opuesta, inferior a la síncrona.

↑ Al aumentarlo: El vehículo dispone de más distancia para acelerar: la velocidad al final de la vía es mayor, aunque el recorrido dura más.

Unidad

m

Magnetismo remanente#

El hierro ferromagnético conserva algo de magnetización al cortar la corriente de campo, normalmente unos pocos por ciento del flujo nominal. Al girar el inducido en ese flujo se induce una pequeña fem, que es el punto de partida de la autoexcitación de un generador en derivación. Si el hierro ha perdido su remanencia, por ejemplo tras desmagnetizarse, el generador no arranca hasta que se reexcita el campo con una fuente de CC externa.

↑ Al aumentarlo: Un flujo remanente mayor da una tensión inicial mayor, por lo que el generador se autoexcita con más facilidad.

Masa del vehículom#

La masa del vehículo m es la masa total que el motor debe acelerar, carga incluida. La segunda ley de Newton da la aceleración a = (empuje − fuerza de carga) / m, así que un vehículo pesado acelera despacio y necesita una vía más larga para llegar a la misma velocidad. La masa no cambia el empuje del motor, que depende del campo y del deslizamiento; solo fija cuánto tarda en llegar a la velocidad estable.

↑ Al aumentarlo: La aceleración baja (a = F / m), así que el vehículo necesita más tiempo y longitud de vía para alcanzar una velocidad dada.

Unidad

kg

Material de la placa de reacción#

La placa de reacción es el conductor en el que el campo viajero induce corrientes parásitas; su interacción con el campo produce el empuje. El aluminio (unos 35 MS/m) es ligero, barato y la elección habitual, mientras que el cobre (unos 58 MS/m) conduce aproximadamente 1,6 veces mejor. Una mayor conductividad eleva el factor de mérito, así que el mismo estator da más empuje con menor deslizamiento, a cambio de más coste y peso.

↑ Al aumentarlo: El cobre en lugar del aluminio conduce unas 1,6 veces mejor, lo que sube el factor de mérito, el empuje y el rendimiento.

Método de arranque#

El arranque directo aplica la tensión plena de golpe: el motor absorbe de cinco a ocho veces su corriente nominal, pero entrega todo su par de arranque. Los métodos estrella-triángulo, autotransformador y arrancador suave arrancan con tensión reducida, lo que baja la corriente de arranque; como el par cae con el cuadrado de la tensión, el par de arranque también disminuye. Un variador de frecuencia evita este compromiso al subir a la vez tensión y frecuencia, y así da buen par con poca corriente.

↑ Al aumentarlo: Pasar del arranque directo a un método de tensión reducida baja la corriente de arranque, pero también el par de arranque.

Modo de funcionamiento#

En funcionamiento en isla, el generador alimenta por sí solo a los consumidores: la carga decide la potencia, el regulador de velocidad mantiene la frecuencia y la excitación mantiene la tensión. En paralelo con la red, el generador está unido a una red tan grande que impone tensión y frecuencia. Entonces la potencia de la turbina fija la potencia activa entregada y la excitación fija la reactiva. Para pasar de un modo a otro, el generador debe sincronizarse primero con la red.

↑ Al aumentarlo: Pasar de isla a red hace que tensión y frecuencia las imponga la red; la potencia pasa a fijarla la turbina y la excitación, no la carga.

MTPA (par máximo por amperio)#

El par máximo por amperio reparte la corriente del estátor en una parte de flujo (i_d) y otra de par (i_q) para obtener el mayor par con la corriente consumida. En una máquina síncrona de reluctancia equivale a un ángulo de corriente cercano a 45° respecto al eje d. Minimiza las pérdidas en el cobre y el tamaño del variador por debajo de la velocidad base; por encima actúa el debilitamiento de campo.

↑ Al aumentarlo: Al activarla el variador elige el mejor ángulo de corriente y el par por amperio es el máximo.

Fórmula

i_d = i_q (45°)

Número de polos#

El número de polos es la cantidad de polos norte y sur que crea el devanado del estátor, siempre par. Junto con la frecuencia de alimentación fija la velocidad síncrona. Más polos dan menos velocidad y, a igual potencia, más par; por eso las máquinas lentas, como los generadores eólicos, tienen muchos polos.

↑ Al aumentarlo: El campo gira más despacio: baja la velocidad y sube el par para la misma potencia.

Típico

2–12

ParT#

El par es el efecto de giro de una fuerza respecto al eje del árbol, T = F · r, y se mide en newton-metros. Se produce en el entrehierro por la interacción de los campos magnéticos del estator y del rotor, y en la mayoría de los motores es proporcional a la corriente por el flujo. La potencia mecánica es P = T · ω, así que, a igual potencia, una máquina más lenta tiene más par. La carga exige un par y el motor se estabiliza a la velocidad en que su par iguala al de la carga.

↑ Al aumentarlo: El eje entrega más fuerza de giro: a la misma velocidad sube la potencia mecánica y el motor consume más corriente.

Unidad

N·m

Fórmula

T = F · r

Par de arranqueT_st#

Par que desarrolla el motor en reposo (velocidad cero); debe superar el par de la carga o el eje no empezará a girar.

↑ Al aumentarlo: Un par de arranque mayor permite acelerar cargas más pesadas, aunque suele ir acompañado de una mayor corriente de arranque.

Unidad

N·m

Típico

1.5-3 × rated for capacitor-start; 0.5-1 × for PSC

Par de mantenimiento#

El par de mantenimiento es el mayor par externo que se puede aplicar a un motor paso a paso parado, con los devanados energizados a corriente nominal, antes de que el eje sea sacado de su posición. Es la cifra principal de tamaño de estos motores: uno pequeño NEMA 17 sostiene unos 0,4 N·m. No es lo mismo que el par disponible al girar, que es menor y cae al subir la frecuencia de pasos. Mantener la posición consume corriente plena aunque no se haga trabajo, así que el motor se calienta.

↑ Al aumentarlo: El motor puede resistir parado un par de carga mayor sin perder la posición, pero necesita más corriente y se calienta más.

Unidad

N·m

Típico

0.1–10 N·m

Par máximo de desengancheT_max#

Par de carga máximo que soporta un motor síncrono; al superarlo el rotor pierde el sincronismo con el campo del estator y se detiene.

↑ Al aumentarlo: Aumentar la corriente de campo (y con ella la FEM interna) eleva el par máximo y el margen antes de que el motor pierda el sincronismo.

Unidad

N·m

Fórmula

T_max ≈ 3 · V · E_f / (ω_s · X_s)

Par nominalT_n#

El par nominal es el que entrega el eje a potencia y velocidad nominales, T_n = P_n / ω_n con ω_n = 2π · n_n / 60. Lo limita el calentamiento: el motor puede superarlo brevemente como par pico, pero no de forma sostenida. Las hojas de datos de servomotores y motores paso a paso suelen dar por separado el par continuo y el par pico, más alto.

↑ Al aumentarlo: El motor admite más carga continua; a la misma velocidad eso significa proporcionalmente más potencia en el eje, P = T · ω.

Unidad

N·m

Fórmula

T_n = P_n / ω_n

Pares de polos#

Una máquina con p pares de polos tiene 2p polos. En cada vuelta mecánica el campo recorre p pares norte-sur, así que la frecuencia eléctrica es f = p · n / 60 con n en rpm. De ahí resulta la velocidad síncrona n_s = 60 · f / p, y por eso una máquina de cuatro polos (p = 2) a 50 Hz gira a 1500 rpm. Los controladores BLDC y servo usan p para convertir el ángulo medido del eje en el ángulo eléctrico que necesitan para la conmutación.

↑ Al aumentarlo: A igual velocidad del eje la frecuencia eléctrica es mayor, y con una frecuencia de red dada el campo gira más lento.

Fórmula

p = N_poles / 2

Típico

1–6

Paso polarτ#

El paso polar τ es la distancia entre los centros de dos polos contiguos a lo largo del estator. El campo magnético recorre el motor a la velocidad síncrona v_s = 2 · τ · f, así que con una frecuencia dada un paso mayor significa un campo y un vehículo más rápidos. Como el factor de mérito es proporcional a τ², un paso largo también acopla bien el campo con la placa, mientras que un paso corto conviene a aplicaciones lentas y de poca carrera.

↑ Al aumentarlo: La velocidad síncrona sube en proporción (v_s = 2 · τ · f) y el factor de mérito crece con τ², pero el estator se alarga.

Unidad

mm

Típico

30–400 mm

Pasos del arrancador#

Un arrancador rotórico divide la resistencia externa en varios escalones. Cada escalón se cortocircuita pasado un tiempo, lo que reduce la resistencia del rotor y lleva el punto de trabajo a otra curva par-velocidad. Con pocos escalones cada conmutación produce un salto visible de par y corriente; con muchos, el arranque se acerca a una aceleración suave y continua. El tiempo por escalón fija cuánto permanece cada resistencia en el circuito.

↑ Al aumentarlo: La resistencia se elimina en escalones más pequeños, así que par y corriente cambian con más suavidad en cada conmutación.

Polaridad#

La polaridad indica cuál de los dos terminales de alimentación es positivo. El par de un motor de CC depende del producto del flujo de campo por la corriente de inducido, así que invertir la corriente de inducido manteniendo el campo invierte el par y el giro. Aquí el interruptor representa la inversión de la conexión del inducido; en una máquina real en derivación o serie, intercambiar solo los cables de alimentación invierte campo e inducido a la vez y el sentido no cambia.

↑ Al aumentarlo: Cambiar la polaridad invierte el sentido de giro y del par; el módulo de la velocidad no cambia.

Polaridad del campo en derivación#

Un generador en derivación solo se establece si la corriente de campo crea un flujo en el mismo sentido que el remanente, de modo que cada aumento de tensión refuerza el flujo. Si el devanado en derivación se conecta al revés, la corriente de campo se opone al flujo remanente y el generador pierde incluso esa pequeña tensión. El remedio habitual es invertir los terminales del campo o reexcitarlo con una fuente de CC en el sentido correcto.

↑ Al aumentarlo: Invertir la polaridad para que el campo se oponga al flujo remanente lo anula, y la tensión se hunde en lugar de establecerse.

Polos de estátor/rotor#

Un motor de reluctancia conmutada tiene polos salientes en el estátor y en el rotor, y los dos números se escriben estátor/rotor, por ejemplo 6/4. El estátor tiene dos polos por fase, así que 6/4 es una máquina trifásica y 8/6 una tetrafásica. El rotor tiene menos polos que el estátor, por lo que solo algunos polos del rotor se alinean a la vez y las fases se turnan. El ángulo de paso es 360° dividido entre el número de fases por el de polos del rotor: 30° para 6/4 y 15° para 8/6. Más fases y polos dan un par más suave, pero exigen más electrónica de potencia.

↑ Al aumentarlo: Elegir una combinación mayor (por ejemplo 8/6 en vez de 6/4) añade una fase y acorta el ángulo de paso: par más suave, con más interruptores.

Potencia activaP#

La potencia real que realiza trabajo útil o se entrega a la red, en vatios; es la parte de la potencia aparente en fase con la tensión.

↑ Al aumentarlo: Crece con la carga o con la potencia en el eje; un factor de potencia menor exige más corriente para la misma potencia activa.

Unidad

W

Fórmula

P = V·I·cosφ

Potencia aparente nominalS_n#

La potencia aparente S es el producto de tensión y corriente, S = √3 · U · I en trifásica y S = U · I en monofásica, y se mide en voltamperios. Generadores y transformadores se especifican en kVA y no en kW porque su calentamiento depende de la corriente y no del factor de potencia de la carga. La potencia activa disponible es P = S · cos φ, y el resto es potencia reactiva.

↑ Al aumentarlo: La máquina o el transformador puede llevar más corriente a tensión nominal, y así suministrar más potencia activa y reactiva antes de sobrecalentarse.

Unidad

kVA

Fórmula

S_n = √3 · U_n · I_n

Potencia de deslizamientoP_s#

La fracción s de la potencia del entrehierro que pasa al circuito del rotor como potencia eléctrica a frecuencia de deslizamiento y no como potencia en el eje.

↑ Al aumentarlo: Con resistencia rotórica se disipa como calor y baja el rendimiento; un generador doblemente alimentado la envía a la red por el convertidor.

Unidad

W

Fórmula

P_s = s · P_airgap

Potencia de entradaP_in#

La potencia que absorbe la máquina: eléctrica de la red en un motor, o mecánica del motor primario en el eje de un generador.

↑ Al aumentarlo: La potencia de entrada crece con la carga; lo que no se convierte en salida se pierde como calor, y más diferencia implica menor rendimiento.

Unidad

W

Fórmula

P_in = V·I·cosφ (motor) or T·ω (generator)

Potencia de la turbina#

La turbina convierte la energía del vapor, el agua, el gas o el viento en potencia mecánica en el eje. Descontadas las pérdidas, es la potencia activa que el generador puede enviar a la red o a su carga. Si la potencia de la turbina supera la eléctrica consumida, el exceso acelera el rotor; si es menor, el rotor frena. Conectado a una red rígida, la velocidad la impone la red, así que más potencia de turbina se traduce en mayor ángulo de carga y más potencia entregada.

↑ Al aumentarlo: Llega más potencia mecánica al eje: en la red el generador entrega más potencia activa; en isla se acelera si la carga no crece.

Unidad

kW

Potencia de salidaP_out#

La potencia útil que sale de la máquina: eléctrica en los bornes de un generador o mecánica en el eje de un motor.

↑ Al aumentarlo: La potencia de salida es la de entrada menos las pérdidas, así que el rendimiento es salida entre entrada; sube con la carga hasta la nominal.

Unidad

W

Fórmula

P_out = P_in − losses

Potencia del convertidor#

En un DFIG el estátor está conectado directamente a la red y solo el circuito del rotor pasa por el convertidor back-to-back. El rotor transporta únicamente la potencia de deslizamiento, que es aproximadamente el deslizamiento multiplicado por la potencia del estátor. Un convertidor del 25–35 % de la potencia nominal permite por ello un margen de velocidad de aproximadamente ±30 % en torno a la síncrona. Esta es la principal ventaja del DFIG frente a una máquina con convertidor total, que debe pasar toda la potencia por el convertidor.

↑ Al aumentarlo: Un convertidor mayor admite más potencia de deslizamiento y amplía el margen de velocidades en torno a la síncrona, pero cuesta más.

Unidad

%

Típico

25–35 %

Potencia disipadaP#

Potencia eléctrica convertida en calor en el componente, P = V · I; debe mantenerse por debajo de la nominal o la pieza se sobrecalienta.

↑ Al aumentarlo: Crece con el cuadrado de la corriente (o de la tensión en una resistencia); duplicar la corriente cuadruplica el calor.

Unidad

W

Fórmula

P = V · I = I² · R

Potencia nominalP_n#

La potencia nominal es la potencia en el eje que figura en la placa de características y que el fabricante garantiza sin sobrecalentamiento. Es potencia mecánica de salida, no eléctrica de entrada, así que la red debe aportar más en la medida de las pérdidas. Trabajar por encima durante mucho tiempo acorta la vida del aislamiento.

↑ Al aumentarlo: El motor se considera mayor: hay más par disponible y la corriente y el par nominales aumentan.

Unidad

kW

Potencia nominal máximaP_max#

La potencia nominal máxima P_max es la mayor potencia que una resistencia puede convertir en calor de forma continua a su temperatura ambiente nominal, normalmente 70 °C. La disipación real es P = I² · R = V² / R y debe quedar claramente por debajo del valor nominal; un margen del 50 % o más es buena práctica. Por encima de la temperatura nominal hay que reducir la potencia permitida. Las resistencias axiales comunes son de 1/8, 1/4, 1/2 y 1 W, y mayor potencia significa un cuerpo físicamente mayor.

↑ Al aumentarlo: La resistencia puede disipar más calor de forma continua, así que admite más corriente o tensión sin sobrecalentarse.

Unidad

W

Fórmula

P = V · I = I² · R

Típico

1/8, 1/4, 1/2, 1 W

Potencia reactivaQ#

Potencia que oscila entre la fuente y los campos magnéticos o eléctricos sin realizar trabajo; fija el nivel de tensión y carga los conductores.

↑ Al aumentarlo: Una máquina sobreexcitada entrega potencia reactiva y sube la tensión; una subexcitada la absorbe. Más reactiva implica más corriente y pérdidas.

Unidad

var

Fórmula

Q = V·I·sinφ

Potencia reactiva del estátorQ_s#

El estátor está conectado a la red, pero el convertidor alimenta el rotor y por eso controla la magnetización de la máquina. Si el rotor aporta solo la corriente magnetizante, el estátor no intercambia potencia reactiva (factor de potencia unidad). Ajustando la componente de la corriente del rotor que magnetiza la máquina, el convertidor puede hacer que el estátor entregue potencia reactiva a la red (positiva, como un alternador sobreexcitado) o la tome de ella (negativa). Así un parque eólico puede apoyar la tensión de red sin baterías de condensadores adicionales, dentro del límite de corriente del convertidor.

↑ Al aumentarlo: La turbina entrega más potencia reactiva a la red y apoya su tensión, a costa de más corriente en el rotor y más carga del convertidor.

Unidad

kvar

R_DS(on)R_DS(on)#

R_DS(on) es la resistencia del canal cuando el MOSFET está completamente conectado. En la región óhmica el dispositivo se comporta como una resistencia de ese valor, así que la caída es I_D · R_DS(on) y el calor generado I_D² · R_DS(on). Las hojas de datos la dan para un V_GS y una temperatura de unión concretos; aumenta con la temperatura, algo que hay que tener en cuenta al dimensionar el disipador.

↑ Al aumentarlo: Aumentan las pérdidas de conducción y el calentamiento, y la caída en el conmutador crece con la corriente.

Unidad

mΩ

Fórmula

P_cond = I_D² · R_DS(on)

Típico

1–500 mΩ

Reactancia del devanadoX#

La reactancia del devanado X = 2π · f · L es la oposición de la inductancia del devanado a la corriente alterna. En un motor universal los devanados de campo e inducido están en serie, así que en CA la tensión de alimentación se reparte entre la resistencia, la reactancia y la fuerza contraelectromotriz. Una reactancia mayor reduce corriente y par para una tensión dada y retrasa la corriente respecto a la tensión, lo que baja el factor de potencia. En CC la inductancia no tiene efecto en régimen permanente, por lo que un motor universal gira más rápido en CC que en CA con la misma tensión.

↑ Al aumentarlo: La corriente alterna baja y el factor de potencia cae, pues más tensión aparece en la inductancia; en CC la reactancia no influye.

Unidad

Ω

Regulación de tensiónVR#

Cuánto cae la tensión en bornes de vacío a plena carga, como porcentaje de la tensión a plena carga; menos es una fuente más rígida.

↑ Al aumentarlo: Más carga aumenta la caída en la resistencia de inducido o la reactancia síncrona y empeora la regulación; un factor de potencia en retraso la empeora aún más.

Unidad

%

Fórmula

VR = (V_nl - V_fl) / V_fl × 100

Típico

2-10 % for most generators

Relación de la caja multiplicadora#

El rotor de un aerogenerador gira despacio, a menudo a 10–20 rpm, mientras que un generador con estátor de 50 Hz necesita aproximadamente 1000–1800 rpm. La caja multiplicadora salva esa diferencia con una relación de multiplicación, normalmente de 1:80 a 1:120 en varias etapas. La relación, junto con el margen de velocidades del rotor, decide dónde funciona el generador respecto a la velocidad síncrona y, por tanto, cuán grande es la potencia de deslizamiento que pasa por el convertidor. Los diseños sin caja la evitan, pero necesitan un generador multipolar muy grande.

↑ Al aumentarlo: Con la misma velocidad de turbina el eje del generador gira más rápido; el DFIG se desplaza hacia el funcionamiento hipersíncrono (deslizamiento negativo).

Unidad

:1

Típico

80–120

Relación de salienciaξ#

La relación de saliencia ξ = L_d / L_q compara la facilidad con que el flujo atraviesa el eje d del rotor frente al eje q. El motor síncrono de reluctancia produce par solo por esa diferencia, así que ξ decide su densidad de par. Además limita el factor de potencia a (ξ - 1) / (ξ + 1), por lo que los diseñadores aumentan ξ con barreras en el rotor.

↑ Al aumentarlo: El par de reluctancia y el techo del factor de potencia suben, y la misma corriente da más par.

Fórmula

ξ = L_d / L_q

Típico

2–8

Relación de transformacióna#

La relación de transformación a = N₁ / N₂ compara las espiras del primario y del secundario. En un transformador ideal las tensiones escalan con ella, V₁ / V₂ = a, las corrientes en sentido inverso, I₁ / I₂ = 1 / a, y la potencia se mantiene. Una impedancia de carga vista desde el primario es a² veces mayor que en el secundario, por lo que los transformadores también adaptan impedancias. Los reductores tienen a > 1 y los elevadores a < 1.

↑ Al aumentarlo: Con más espiras en el primario que en el secundario, la tensión de salida baja y la corriente de salida sube; al contrario si la relación es menor que 1.

Fórmula

a = N₁ / N₂ = V₁ / V₂

Relación de velocidad en la puntaλ#

Relación entre la velocidad de la punta de la pala y la del viento, λ = ωR / v; determina cuán eficazmente el rotor extrae potencia del viento.

↑ Al aumentarlo: El coeficiente de potencia tiene un máximo en un λ óptimo; girar más rápido o más lento que ese óptimo, con el mismo viento, capta menos potencia.

Fórmula

λ = ω · R / v

Típico

6-9 at the optimum for 3-blade turbines

Rendimientoη#

El rendimiento es la relación entre la potencia útil de salida y la de entrada. La diferencia se pierde como pérdidas en el cobre (I²R), en el hierro (histéresis y corrientes parásitas), rozamiento mecánico y ventilación. Los motores rinden mejor cerca de la carga nominal y claramente peor con poca carga, por lo que un motor sobredimensionado desperdicia energía.

↑ Al aumentarlo: Más potencia de entrada llega al eje, se genera menos calor y la máquina trabaja más fría.

Unidad

%

Fórmula

η = P_out / P_in

Típico

70–96 %

Reóstato de campo#

El reóstato de campo es una resistencia variable en serie con el devanado de campo en derivación. Al aumentar su valor disminuyen la corriente de campo y el flujo, de modo que cae la fem generada, y un motor en derivación debe girar más rápido para producir la misma fcem. En un generador autoexcitado la resistencia total de campo debe, además, mantenerse por debajo del valor crítico; si no, la tensión se hunde al nivel remanente.

↑ Al aumentarlo: El flujo y la fem bajan: la tensión del generador cae (y puede no llegar a establecerse), mientras que un motor en derivación acelera.

Unidad

%

ResistenciaR#

La resistencia R es el cociente entre la tensión en un componente y la corriente que lo atraviesa, R = V / I (ley de Ohm), y se mide en ohmios. En una resistencia nace de las colisiones de los portadores con la red cristalina y convierte energía eléctrica en calor: P = I² · R = V² / R. Depende del material, la longitud y la sección como R = ρ · l / A y cambia algo con la temperatura. Los valores habituales van desde fracciones de ohmio hasta varios megaohmios.

↑ Al aumentarlo: Con la misma tensión baja la corriente, mientras que la tensión en la resistencia y la potencia que disipa con una corriente dada aumentan.

Unidad

Ω

Fórmula

R = V / I

Típico

1 Ω–1 MΩ

Resistencia crítica de campoR_crit#

Un generador en derivación se autoexcita: el magnetismo remanente da una pequeña tensión, que impulsa corriente de campo, la cual aumenta el flujo y la tensión. Esto solo funciona si la recta de resistencia de campo es menos inclinada que la pendiente de la curva de magnetización en el origen. La resistencia crítica de campo es aquella en que coinciden; por encima la tensión se hunde al valor remanente, por debajo crece hasta el punto en que la recta corta la curva de saturación.

↑ Al aumentarlo: La autoexcitación solo es posible si la resistencia de campo real queda por debajo; un valor mayor amplía el margen.

Unidad

Ω

Resistencia de cargaR_L#

La resistencia de carga R_L es la resistencia conectada a la salida que representa al consumidor. Para una tensión de salida dada, la corriente es I = V / R_L y la potencia P = V² / R_L, así que una R_L menor es una carga más pesada. Una fuente o transformador real tiene resistencia interna y reactancia de dispersión, de modo que más carga hace caer la tensión de salida. Se transfiere la máxima potencia cuando R_L iguala la resistencia de la fuente, pero entonces el rendimiento es solo del 50 %.

↑ Al aumentarlo: La carga consume menos corriente y potencia, y la tensión de salida de una fuente o transformador real cae menos.

Unidad

Ω

Resistencia de inducidoR_a#

La resistencia de inducido es la resistencia en continua del devanado de inducido más el contacto de las escobillas. En un motor, la alimentación debe vencer la fuerza contraelectromotriz más la caída I·R_a, de modo que un R_a mayor implica más caída de velocidad con carga. En un generador reduce la tensión en bornes al crecer la corriente, y las pérdidas I²R se convierten en calor.

↑ Al aumentarlo: Se pierde más tensión en el devanado: el motor frena más con carga y se calienta más.

Unidad

Ω

Típico

0.1–5 Ω

Resistencia del devanadoR#

La resistencia del devanado R es la resistencia en continua de una fase, medida con un óhmetro, y en el cobre aumenta cerca de un 0,4 % por kelvin de calentamiento. Fija la corriente de bloqueo o de arranque, I = V / R, y causa las pérdidas en el cobre I² · R que calientan el motor. En motores BLDC pequeños, paso a paso y universales suele ser la pérdida principal, y su caída de tensión reduce la velocidad con carga.

↑ Al aumentarlo: La caída I · R y las pérdidas en el cobre I² · R aumentan: baja la velocidad con carga, cae el rendimiento y la corriente de bloqueo V / R es menor.

Unidad

Ω

Resistencia dinámicar_z#

La resistencia dinámica r_z = ΔV / ΔI es la pendiente de la curva V-I en el punto de trabajo, no el cociente V / I. En un Zener en ruptura suele ir de unos pocos ohmios a unas decenas de ohmios, así que un cambio ΔI de corriente mueve la tensión solo r_z · ΔI. Cuanto menor es, más firme es la tensión regulada; es mínima con corrientes moderadas por encima del codo y explica que el rizado de salida nunca sea exactamente cero.

↑ Al aumentarlo: La regulación empeora: el mismo cambio de corriente provoca una variación mayor de la tensión del diodo y pasa más rizado.

Unidad

Ω

Fórmula

r_z = ΔV / ΔI

Típico

1–50 Ω

Resistencia rotórica externaR_2,ext#

En un motor de inducción de rotor bobinado, las resistencias conectadas por los anillos rozantes se suman a la resistencia del rotor R₂. El deslizamiento en que aparece el par máximo es proporcional a R₂, así que una resistencia mayor desplaza el máximo hacia el reposo y da un par de arranque alto con menor corriente, mientras el valor máximo del par no cambia. El precio es un mayor deslizamiento con carga y potencia de deslizamiento perdida como calor en las resistencias, por lo que se van eliminando al acelerar el motor.

↑ Al aumentarlo: El par de arranque sube y la corriente baja (hasta el par máximo), pero con carga crece el deslizamiento y las resistencias disipan más potencia.

Unidad

Ω

Resistencia serie internaR_S#

La resistencia serie interna R_S es la resistencia óhmica de las zonas neutras del semiconductor y de los contactos metálicos, en serie con la unión ideal. A baja corriente su caída I · R_S es despreciable y domina la ley exponencial de la unión. A corriente alta la caída es grande, de modo que la tensión total es V = V_unión + I · R_S y la curva se acerca a una recta de pendiente 1 / R_S. Los diodos de potencia la mantienen en miliohmios; los de señal tienen unos pocos ohmios.

↑ Al aumentarlo: A corriente alta aumentan la caída de tensión y el calentamiento, y la curva directa se vuelve una recta más tendida y resistiva.

Unidad

Ω

Resolución del codificador#

Un codificador incremental genera un número fijo de pulsos por vuelta del eje y el variador los cuenta para conocer la posición. Con decodificación en cuadratura, los dos canales de salida dan cuatro cuentas por pulso, así que un codificador de 1000 ppr resuelve 4000 cuentas por vuelta, es decir 0,09°. Una resolución más fina permite posicionar con más exactitud y estimar mejor la velocidad a baja velocidad, donde llegan pocos pulsos por muestra, pero la frecuencia de pulsos y la carga de proceso crecen con ella.

↑ Al aumentarlo: La posición se mide en pasos más finos: mejoran la precisión y la realimentación a baja velocidad, pero el controlador debe manejar más pulsos por segundo.

Unidad

ppr

Típico

1000–10000 ppr

Rizado de par#

El rizado de par es la diferencia entre el par instantáneo máximo y mínimo, referida al valor medio. En un motor de reluctancia conmutada procede de la conmutación de una fase a otra; en un motor universal alimentado con CA monofásica, de la potencia que pulsa al doble de la frecuencia de red. Un rizado alto excita resonancias mecánicas y ruido audible, y dificulta un control de velocidad suave.

↑ Al aumentarlo: La vibración, el ruido y la fluctuación de velocidad aumentan notablemente.

Unidad

%

Secuencia de conmutación#

Un motor de CC sin escobillas no tiene escobillas, así que el variador realiza la conmutación electrónicamente. En la conmutación de seis pasos, cada ciclo eléctrico se divide en seis sectores de 60°; en cada uno el inversor conecta dos de las tres fases al bus de CC mientras la tercera queda flotante. Los sensores Hall (o la fuerza contraelectromotriz) indican al variador en qué sector está el rotor, de modo que la corriente circula siempre por el par de fases que da más par. El orden de los seis pasos fija el sentido de giro.

↑ Al aumentarlo: Cambiar a otro orden o desplazarlo respecto al rotor baja el par y aumenta el rizado; invertir el orden invierte el giro.

Secuencia de fases#

La secuencia de fases es el orden en que las tres tensiones de fase alcanzan su pico positivo: A-B-C (directa) o A-C-B (inversa). El campo del estator gira desde la fase que llega antes al pico hacia la siguiente, así que intercambiar dos conductores de alimentación invierte el giro de un motor de inducción o síncrono. En un generador la secuencia debe coincidir con la de la red, junto con tensión, frecuencia y ángulo de fase, antes de cerrar el interruptor.

↑ Al aumentarlo: Intercambiar dos fases (ABC a ACB) invierte el campo giratorio, así que el motor gira al revés; un generador deja de coincidir con la red.

Unidad

ABC / ACB

Sentido de giro#

El sentido lo fija el orden en que se energizan los devanados o la polaridad de la alimentación. Un motor paso a paso se invierte al invertir su secuencia de fases, un motor de CC con escobillas cuando cambia el signo de la tensión de inducido, y un motor de inducción monofásico al cambiar la conexión del devanado auxiliar, pues el devanado principal solo no tiene un sentido preferido. Los variadores suelen tratar los dos sentidos como velocidad positiva y negativa.

↑ Al aumentarlo: Cambiarlo hace que el eje gire al revés; invertir a velocidad primero frena el rotor y consume una corriente elevada.

Temperatura de uniónT_j#

Temperatura de la propia unión del semiconductor; es la ambiente más la potencia disipada por la resistencia térmica.

↑ Al aumentarlo: Más potencia disipada la eleva; superar el máximo nominal acorta la vida o destruye el dispositivo y, en un LED, además reduce la luz emitida.

Unidad

°C

Fórmula

T_j = T_a + P · R_th

Típico

Max 125-175 °C for silicon; LEDs typically 85-125 °C

Tensión ánodo-cátodoV_AK#

La tensión ánodo-cátodo V_AK es la tensión que se aplica al dispositivo y el eje horizontal de su curva I-V. Los valores positivos polarizan la unión en directa: la corriente es despreciable hasta que V_AK se acerca a la tensión directa y luego crece exponencialmente. Los negativos la polarizan en inversa: solo circula una fuga mínima hasta alcanzar la tensión de ruptura. En un circuito real la fijan la fuente y la resistencia en serie, así que la tensión del diodo rara vez coincide con la de la fuente.

↑ Al aumentarlo: Al pasar de polarización inversa a directa, la corriente sigue cerca de cero hasta llegar a unos V_F y luego sube bruscamente.

Unidad

V

Tensión de alimentaciónV#

La tensión de alimentación es la que la fuente aplica a los bornes del motor. En un motor de CC la velocidad es aproximadamente proporcional a ella, n ≈ (V − I · R_a) / (K_e · Φ). En un motor de inducción de CA el par escala con V², así que una tensión baja reduce el par máximo y aumenta la corriente para la misma carga, mientras la velocidad se mantiene cerca de la síncrona. Funcionar muy por encima de la tensión nominal satura el hierro y sobrecalienta el devanado.

↑ Al aumentarlo: Corriente y par aumentan (en un motor de inducción de CA el par crece con V²) y la velocidad de un motor de CC sube casi en proporción.

Unidad

V

Tensión de red#

La tensión de red es la tensión entre fases en el punto de conexión. Una red es tan grande que mantiene esta tensión casi constante haga lo que haga un generador. Antes de cerrar el interruptor, la tensión del generador se iguala a ella con la excitación; después, cambiar la excitación ya no cambia la tensión, sino solo la potencia reactiva intercambiada. En el DFIG de un aerogenerador el estátor está unido directamente a la red, por lo que la tensión de red también fija el flujo del estátor.

↑ Al aumentarlo: El generador debe excitarse a una tensión mayor antes de cerrar; si hay diferencia al cerrar, circula una gran corriente reactiva.

Unidad

V

Tensión de ruptura inversaV_BR#

La tensión de ruptura inversa V_BR es la polarización inversa a la que la corriente crece bruscamente por multiplicación en avalancha o efecto túnel Zener. En un diodo rectificador normal es un límite de avería: la unión se daña si no se limita la corriente. Un diodo Zener está diseñado para trabajar ahí, con la tensión casi constante. Los diodos rectificadores van desde decenas de voltios hasta más de mil.

↑ Al aumentarlo: El diodo soporta más tensión inversa antes de conducir con fuerza, por lo que es seguro en circuitos de mayor tensión.

Unidad

V

Tensión del bus de CCV_dc#

El bus de CC, alimentado por un rectificador o una batería, es la fuente de la que el inversor forma las tensiones de fase. La fuerza contraelectromotriz del motor crece con la velocidad y, cuando se acerca a la tensión del bus, ya no se puede forzar corriente en los devanados; por eso la tensión del bus fija la velocidad máxima. También fija la rapidez con que puede cambiar la corriente, di/dt = (V - e) / L, algo que importa para el par a alta velocidad.

↑ Al aumentarlo: El inversor lleva el motor a mayor velocidad máxima y cambia la corriente más deprisa, pero devanado e interruptores soportan más tensión.

Unidad

V

Tensión del primarioV₁#

La tensión del primario V₁ es la tensión alterna aplicada al devanado primario. La del secundario la sigue a través de la relación de transformación, V₂ = V₁ / a. El flujo del núcleo es proporcional a V₁ / f, ya que Φ = V₁ / (4,44 · f · N₁). Trabajar muy por encima de la tensión nominal, o a menor frecuencia que la nominal, lleva el núcleo a la saturación, donde la corriente de magnetización sube bruscamente y se distorsiona, provocando calentamiento. Por eso un transformador de 60 Hz no debe alimentarse a su tensión nominal plena desde una red de 50 Hz.

↑ Al aumentarlo: La tensión de salida sube en proporción, pero también crecen el flujo del núcleo y la corriente de magnetización, acercando el núcleo a la saturación.

Unidad

V

Tensión del secundarioV₂#

Tensión que entrega el devanado secundario a la carga; en vacío es la del primario por la relación de espiras.

↑ Al aumentarlo: Sigue a la tensión del primario y la relación de espiras, y cae algo con carga por la resistencia y la inductancia de dispersión.

Unidad

V

Fórmula

V₂ = V₁ · N₂ / N₁

Tensión directaV_F#

La tensión directa es la caída en un diodo o LED que conduce. Para el silicio es de unos 0,6 a 0,7 V, para un diodo Schottky ronda 0,3 V, y en los LED depende del color, desde unos 1,8 V del rojo hasta más de 3 V del azul y el blanco. Como es casi constante, quien fija realmente la corriente es la resistencia en serie: R = (V_alimentación - V_F) / I.

↑ Al aumentarlo: El diodo o LED necesita más tensión para conducir y, con la misma fuente y resistencia, circula menos corriente.

Unidad

V

Típico

0.6–3.4 V

Tensión drenador-fuenteV_DS#

La tensión drenador-fuente V_DS es la tensión en el canal y el eje horizontal de la característica de salida. Mientras V_DS sea menor que la sobretensión V_GS − V_th, el MOSFET está en región óhmica (lineal) y se comporta como una resistencia controlada por tensión. Más allá, el canal se estrangula en el lado del drenador, el dispositivo entra en saturación y la corriente la fija casi solo V_GS, que es como el MOSFET funciona de amplificador. Como interruptor se excita a fondo para que V_DS sea pequeña.

↑ Al aumentarlo: En la región óhmica la corriente de drenador sube con V_DS; cuando V_DS supera V_GS − V_th se satura y queda casi constante.

Unidad

V

Tensión en bornesV_t#

Tensión medida entre los bornes de la máquina, la que realmente ve la carga o la fuente.

↑ Al aumentarlo: En un generador cae bajo la FEM interna al pasar la corriente por la resistencia y reactancia del devanado; la reacción del inducido debilita el campo.

Unidad

V

Fórmula

V_t = E − I_a·R_a

Tensión inicial del arranque suave#

Un arrancador suave usa tiristores para aplicar una tensión que sube desde un valor inicial hasta la tensión plena durante el tiempo de rampa. La tensión inicial debe ser lo bastante alta para que el par, que varía con su cuadrado, venza el par de despegue de la carga; si es demasiado baja, el motor zumba sin girar hasta que la rampa ha subido lo suficiente. Si es demasiado alta se pierde la ventaja, porque la corriente de arranque y el golpe mecánico se acercan a los del arranque directo.

↑ Al aumentarlo: El motor arranca con más tensión, así que el par de arranque y la corriente de arranque suben y el arranque es menos suave.

Unidad

%

Típico

30–50 %

Tensión nominalU_n#

La tensión nominal es la tensión de alimentación con la que la máquina alcanza su flujo, par y rendimiento nominales. En las trifásicas es la tensión de línea y la conexión del devanado (estrella o triángulo) debe corresponder. Con tensión baja el par cae rápido; con tensión alta el hierro se satura y la máquina se calienta.

↑ Al aumentarlo: El motor se diseña para más tensión, así que la misma alimentación lo subexcita y el par cae.

Unidad

V

Típico

230 / 400 / 690 V

Tensión puerta-fuenteV_GS#

La tensión puerta-fuente V_GS es la entrada de control de un MOSFET. La puerta está aislada por un óxido delgado, así que prácticamente no consume corriente continua y solo hay que cargar su capacidad. Por debajo de V_th el dispositivo está cortado; por encima, la sobretensión V_GS − V_th fija la conductividad del canal y, en saturación, la corriente I_D = ½ · k_n · (V_GS − V_th)². El óxido limita V_GS, normalmente a unos ±20 V, y los dispositivos de nivel lógico conducen del todo con 4,5 a 5 V.

↑ Al aumentarlo: Por debajo del umbral no circula corriente; por encima el canal se abre y la corriente de drenador crece aproximadamente con el cuadrado de V_GS − V_th.

Unidad

V

Fórmula

I_D = ½·k_n·(V_GS − V_th)²

Tensión umbralV_th#

La tensión umbral V_th es la tensión puerta-fuente necesaria para invertir el semiconductor bajo la puerta y formar un canal conductor. Por debajo el MOSFET está en corte y solo circula fuga. Por encima, la corriente de drenador crece con (V_GS - V_th)², de modo que mayor sobreexcitación da más corriente y menor resistencia del canal.

↑ Al aumentarlo: Hace falta más tensión de puerta para activar el MOSFET y, con la misma tensión, baja la corriente de drenador.

Unidad

V

Típico

1–4 V

Tensión ZenerV_Z#

La tensión Zener es la tensión inversa a la que el diodo entra en ruptura de forma controlada y fija su tensión en bornes, especificada para una corriente de prueba. Hace del Zener un regulador en paralelo sencillo: una resistencia en serie lo alimenta desde una fuente mayor y el diodo absorbe la corriente que la carga no necesita. El valor varía algo con la temperatura y sube un poco con la corriente por la resistencia dinámica.

↑ Al aumentarlo: La tensión regulada sube al nuevo valor y se necesita más alimentación para mantener el diodo en ruptura.

Unidad

V

Típico

2.4–200 V

Tiempo de conmutación#

Un arrancador estrella-triángulo o de autotransformador hace funcionar primero el motor a tensión reducida y pasa a tensión plena tras un tiempo fijado. El cambio debe ocurrir cuando la velocidad está cerca de su valor final: así el salto de corriente y el transitorio de par son pequeños. Si se cambia demasiado pronto, aparece un segundo pico de corriente grande, casi como en un arranque directo; si se espera demasiado, el motor puede quedar atascado a una velocidad en la que su par a tensión reducida apenas iguala al de la carga.

↑ Al aumentarlo: El motor permanece más tiempo a tensión reducida y alcanza más velocidad antes del cambio, con lo que el salto de corriente al conmutar es menor.

Unidad

s

Típico

3–15 s

Tiempo de rampa#

El tiempo de rampa es lo que tarda un arrancador suave en llevar la tensión de su valor inicial a la tensión plena; un variador usa la misma idea para subir la frecuencia. Una rampa larga da una aceleración suave y menos esfuerzo para la red y la mecánica. Si es demasiado larga, el motor puede no desarrollar par suficiente para acelerar en la primera parte de la rampa y quedarse a baja velocidad con corriente alta, lo que calienta los devanados.

↑ Al aumentarlo: La tensión o la frecuencia sube más despacio: la aceleración es más suave y los picos de corriente menores, pero llegar a plena velocidad tarda más.

Unidad

s

Típico

2–30 s

Tipo de alimentación (CA / CC)#

Un motor universal tiene los devanados de campo e inducido en serie, de modo que al invertir la corriente se invierten ambos flujos y el par conserva su sentido. Por eso puede funcionar con CC o con CA. En CA la corriente y el par pulsan al doble de la frecuencia de alimentación, la reactancia del devanado limita la corriente y las escobillas chispean más; en CC el par es constante y la velocidad es mayor con la misma tensión. En CA un regulador de ángulo de fase, como un triac, puede ajustar la velocidad.

↑ Al aumentarlo: Pasar de CC a CA añade reactancia y pulsación de par al doble de la frecuencia de red; con la misma tensión baja la velocidad y cae el factor de potencia.

Tipo de carga#

El tipo de carga describe cómo depende de la velocidad el par o la fuerza resistente. Las cargas de par constante, como cintas y polipastos, piden el mismo par a cualquier velocidad; ventiladores y bombas siguen T ∝ n²; las de potencia constante, como bobinadoras, tienen T ∝ 1/n; y las viscosas crecen linealmente con la velocidad. La resistencia aerodinámica de un vehículo con motor lineal crece con v². En un generador síncrono el tipo de carga es en cambio eléctrico: una carga inductiva (en retraso) baja la tensión en bornes, mientras que una capacitiva (en adelanto) puede subirla.

↑ Al aumentarlo: Cambiarlo modifica cómo el par de carga sigue a la velocidad, y con ello el punto de trabajo y el arranque; en un generador cambia la regulación de tensión.

Tolerancia#

La tolerancia es la máxima desviación permitida de la resistencia real respecto a su valor nominal, en porcentaje, y también la indica la última banda de color (oro 5 %, plata 10 %, marrón 1 %). Una resistencia de 1 kΩ con tolerancia del 5 % puede medir entre 950 Ω y 1050 Ω. Las tolerancias más estrechas cuestan más y importan en divisores, filtros y circuitos de medida, mientras que la resistencia limitadora de un LED rara vez necesita mejor que el 5 %. Los valores estándar siguen las series E: E12 para 10 %, E24 para 5 %, E96 para 1 %.

↑ Al aumentarlo: La resistencia real puede alejarse más del valor marcado, por lo que corrientes y tensiones del circuito son menos predecibles.

Unidad

%

Típico

1 %, 5 %, 10 %

Toma del autotransformador#

Un arrancador con autotransformador alimenta el motor desde una toma que da solo una fracción k de la tensión de línea, normalmente 50, 65 u 80 %. La corriente del motor es proporcional a k y su par a k al cuadrado; por la relación de transformación, la corriente tomada de la red también baja con k al cuadrado. Una toma del 65 % da así cerca del 42 % del par del arranque directo. A diferencia del estrella-triángulo, la toma puede elegirse según la carga, a costa de un equipo más voluminoso y caro.

↑ Al aumentarlo: El motor recibe más tensión, así que el par de arranque y la corriente de arranque tomada de la red suben con el cuadrado de la toma.

Unidad

%

Típico

50–80 %

Transconductanciag_m#

Cuánto cambia la corriente de drenador por cada voltio de tensión puerta-fuente; mide la ganancia del MOSFET como amplificador.

↑ Al aumentarlo: Es cero en corte y crece con la sobretensión V_GS − V_th, así que un MOSFET más excitado amplifica más pero también conduce más corriente.

Unidad

S

Fórmula

g_m = ∂I_D / ∂V_GS

Troceado de corriente#

A baja velocidad la fuerza contraelectromotriz de un motor de reluctancia conmutada es pequeña, así que la corriente de una fase subiría muy deprisa y superaría los valores seguros. El variador trocea: corta la tensión de fase cuando la corriente llega a la referencia y la vuelve a aplicar cuando baja un poco. Así la corriente queda cerca del límite y el par controlado, a costa de pérdidas de conmutación y ruido acústico.

↑ Al aumentarlo: Se permite una corriente de fase mayor: más par a baja velocidad, pero también más calentamiento.

Unidad

A

Velocidad crítican_crit#

Velocidad mínima a la que un generador de CC autoexcitado puede establecer tensión con una resistencia de campo dada; por debajo la tensión queda casi en cero.

↑ Al aumentarlo: Una mayor resistencia de campo eleva la velocidad crítica; si la máquina motriz gira por debajo, el generador no logra establecer tensión.

Unidad

rpm

Velocidad de consigna#

La velocidad de consigna es el valor de referencia que intenta seguir el lazo de velocidad del variador. El controlador la compara con la velocidad medida por el codificador y ajusta tensión y corriente para eliminar el error. El motor solo puede seguir la consigna mientras la tensión de alimentación venza la fuerza contraelectromotriz y el par necesario quede dentro del límite de corriente; por encima de eso, la velocidad real se queda por detrás de la consigna.

↑ Al aumentarlo: El controlador exige más velocidad y sube tensión y corriente hasta alcanzarla o hasta que lo frene un límite de alimentación o de par.

Unidad

rpm

Velocidad de viento nominal#

La velocidad de viento nominal es aquella a la que la turbina entrega por primera vez su potencia nominal, normalmente 11–14 m/s. Por debajo, el rotor funciona con su mejor rendimiento y la potencia sigue el cubo de la velocidad del viento. Por encima, extraer toda la potencia disponible sobrecargaría el generador y el tren de potencia, así que las palas se orientan fuera del viento para mantener la potencia en su valor nominal. Una turbina diseñada para una velocidad nominal menor necesita más rotor por kilovatio y produce la potencia nominal con más frecuencia.

↑ Al aumentarlo: La turbina alcanza la potencia nominal más tarde: por debajo del nuevo valor produce menos y la potencia plena exige más viento.

Unidad

m/s

Típico

11–14 m/s

Velocidad del motor primarion#

El motor primario, una turbina o un motor, hace girar el eje del generador. La fem inducida es proporcional al flujo y a la velocidad, así que con excitación constante un eje más rápido da más tensión. En un generador síncrono la frecuencia también depende de la velocidad según f = p·n / 60 (p pares de polos), por lo que un generador aislado debe mantener su velocidad con precisión y debe llevarse a la velocidad síncrona antes de conectarse a la red.

↑ Al aumentarlo: La fem aumenta en proporción a la velocidad y, en un generador de CA, también la frecuencia.

Unidad

rpm

Velocidad del móvilv#

Velocidad del vehículo o móvil a lo largo de la vía; siempre queda por debajo de la síncrona v_s = 2 · paso polar · frecuencia de alimentación.

↑ Al aumentarlo: Un paso polar mayor o una frecuencia más alta elevan la velocidad síncrona y la del vehículo; una carga mayor aumenta el deslizamiento.

Unidad

km/h

Fórmula

v_s = 2 · τ_p · f

Velocidad del rotor#

La velocidad del rotor es la velocidad mecánica del eje, distinta de la del campo giratorio del estátor, que es la velocidad síncrona. Su diferencia relativa es el deslizamiento. Un generador de inducción común debe funcionar algo por encima de la velocidad síncrona, pero en un DFIG el convertidor permite que el rotor gire tanto por debajo (hiposíncrono, el rotor absorbe potencia de deslizamiento) como por encima (hipersíncrono, el rotor entrega potencia de deslizamiento a la red). Así la turbina puede seguir la velocidad del viento para extraer la máxima potencia.

↑ Al aumentarlo: Al subir la velocidad el deslizamiento disminuye; en un DFIG, superar la velocidad síncrona lo hace negativo y el rotor entrega potencia a la red.

Unidad

rpm

Velocidad del viento#

La potencia del viento es ½ρAv³: crece con el cubo de la velocidad, así que al duplicar la velocidad se obtiene ocho veces más potencia. La turbina solo puede extraer una fracción, limitada por el coeficiente de potencia, que nunca supera el límite de Betz del 59 %. Arranca a la velocidad de conexión de unos 3 m/s, alcanza la potencia nominal hacia los 11–14 m/s y se detiene a la velocidad de corte de unos 25 m/s para protegerla.

↑ Al aumentarlo: La potencia disponible crece con el cubo de la velocidad, así que la turbina produce mucho más hasta alcanzar la potencia nominal.

Unidad

m/s

Fórmula

P = ½ ρ A v³ C_p

Típico

3–25 m/s

Velocidad nominaln_n#

La velocidad nominal es la velocidad del eje cuando el motor entrega la potencia nominal a tensión y frecuencia nominales. En un motor de inducción siempre es inferior a la síncrona, y la diferencia da el deslizamiento nominal. El simulador la usa para calcular el par nominal y los parámetros del rotor.

↑ Al aumentarlo: El deslizamiento nominal disminuye y el motor llega más cerca de la velocidad síncrona a plena carga.

Unidad

rpm

Velocidad síncronan_s#

La velocidad síncrona es la velocidad a la que gira el campo del estátor: 120 veces la frecuencia dividido entre el número de polos. La máquina síncrona gira exactamente a esa velocidad y el motor de inducción algo por debajo. Al doblar los polos la velocidad se reduce a la mitad; por eso un motor de 4 polos a 50 Hz gira a unas 1500 rpm.

↑ Al aumentarlo: El campo giratorio y, con él, la velocidad en vacío del motor suben en proporción.

Unidad

rpm

Fórmula

n_s = 120 f / p

Típico

3000 / 1500 / 1000 rpm (50 Hz)