Máquinas eléctricas, paso a paso

Un transformador transfiere energía entre devanados mediante un flujo magnético variable. El primario recibe alimentación y el secundario alimenta la carga. No hace falta que exista una conexión eléctrica entre ambas bobinas. En el modelo ideal todas las espiras enlazan el mismo flujo: cada espira tiene la misma tensión inducida y más espiras dan mayor tensión.

Definimos a = N1/N2, donde 1 identifica el primario y 2 el secundario. En régimen sinusoidal, las magnitudes RMS cumplen V1/V2 = a; despejando, V2 = V1/a. No cambies el orden de las espiras a mitad del cálculo. Estas relaciones suponen acoplamiento perfecto, resistencias y dispersión despreciables, sin pérdidas en el núcleo.

La ley de Faraday relaciona la fem con la rapidez de cambio del flujo: e = −N·dΦ/dt. Un flujo sinusoidal máximo tiene derivada cero; su fem inducida es entonces cero. Al pasar el flujo por cero, su rapidez de cambio es máxima en magnitud. Nuestra animación normaliza las curvas por separado y elige Φ = Φmáx·cos θ; por eso e es proporcional a sin θ. No es una simulación de saturación ni una lectura de voltímetros.

Con carga y despreciando la corriente de magnetización, las magnitudes cumplen I1/I2 = N2/N1 = 1/a. La corriente secundaria la fija la carga: con una resistencia R, I2 = V2/R. La corriente primaria correspondiente resulta I1 = I2/a. Elevar tensión no crea energía: para la carga resistiva, V1·I1 = V2·I2. Con desfase entre tensión y corriente, la potencia activa requiere además el factor de potencia.

Si mantienes alimentación y espiras, duplicar la resistencia de carga conserva V2 en este modelo, pero reduce corrientes y potencia a la mitad. Estas relaciones no predicen calentamiento, saturación, regulación, aislamiento ni capacidad nominal. No conectes el modelo a una fuente continua ni uses sus resultados como autorización para energizar un montaje.

En un motor trifásico convencional, tres corrientes sinusoidales equilibradas, separadas 120° eléctricos, producen un campo magnético giratorio. El estator y sus devanados están fijos: gira el patrón del campo, no la estructura. El campo induce corrientes en el rotor y su interacción produce par. En esta introducción consideramos régimen estacionario, campo fundamental y rotor simétrico; no estudiamos armónicos ni arranque.

La velocidad del campo es ns = 120·f/p, expresada en revoluciones por minuto. f es la frecuencia en Hz y p el número total de polos, no pares de polos. A igual frecuencia, duplicar los polos reduce a la mitad la velocidad síncrona. La velocidad del rotor nr es otra magnitud y se obtiene del comportamiento de la máquina y su carga, no de esa fórmula sola.

El deslizamiento mide la diferencia relativa: s = (ns−nr)/ns. Despejando se obtiene nr = (1−s)·ns. s no tiene unidades; para introducir 4 % en una fórmula se usa 0,04, no 4. En régimen motor convencional, girando en el sentido del campo, 0 < s < 1. En reposo nr = 0 y s = 1: es 100 %, aunque nuestro control visual solo explora 0–20 %.

En el modelo considerado, a s = 0 el rotor alcanza la velocidad del campo y no hay movimiento relativo con el campo fundamental. No se induce la corriente que sostendría un par de inducción estacionario: no puede interpretarse como operación ideal cargada sin deslizamiento. La frecuencia de las corrientes rotóricas es fr = s·f; disminuye al disminuir el deslizamiento.

Frecuencia, polos y deslizamiento permiten calcular velocidades y fr, pero no par, corriente absorbida o rendimiento global. Para eso se necesitan tensión, parámetros del circuito equivalente y pérdidas. 1−s es el cociente nr/ns en este cálculo, no el rendimiento total. La animación usa dos marcadores de posición ralentizados por el mismo factor y no representa la geometría real de polos, el campo local, aceleración o calentamiento.