Los motores eléctricos en corriente alterna.

Los motores eléctricos en corriente alterna.

El motor eléctrico por excelencia en corriente alterna es el motor de inducción o motor asíncrono trifásico, es el más utilizado para el accionamiento de máquinas en la industria y gracias a la electrónica de potencia está desbancando a otros tipos de motores de corriente continua como por ejemplo en tracción eléctrica, su amplia utilización es debido a su sencillez de mantenimiento, facilidad de instalación, bajo coste y robustez.

Empezaremos con el motor trifásico asíncrono, estos pueden ser de rotor en cortocircuito (el más utilizado) o de rotor bobinado.

Sus partes fundamentales son:

El estator, parte fija de la máquina donde van alojados las bobinas inductoras, las tapas laterales o también llamadas escudos que llevan dos cojinetes que permite el giro del rotor.

Estator.Foto: viatger

El rotor en cortocircuito, parte móvil de la máquina, bobinada con unas barras de cobre o aluminio, introducidas en las ranuras y que van soldadas a dos anillos, del mismo material, llamados anillos de cortocircuito. Este conjunto se denomina jaula de ardilla por su parecido a una jaula de ardilla. Existen motores con rotor de doble jaula de ardilla.

Rotor. Foto: viatger.

Partes de un
motor asíncrono trifásico.

En esta imagen se puede apreciar el eje del motor que es el que desarrollará la potencia útil del motor y es esa la potencia que viene indicada en la placa de características del motor, observamos la caja de bornes donde se efectúan las conexiones a la red y las aletas que lleva es para refrigerar la máquina mediante las aspas que llevan casi todos estos motores en la el escudo contrario al eje, es decir, cuando funciona el motor al mismo tiempo un ventilador proporciona aire que pasa a través de las aletas de refrigeración evacuando el calor que produce la máquina.

Despiece motor. Imagen sacada del Telesquemario de Telemecanique.

Conexión del motor.

Arranque directo del motor.

Cuando el motor tiene una potencia inferior a 0,75 Kw se puede conectar de forma directa a la red, el motor dispone de tres bobinas que se deben conectar a la red para que funcione, estas bobinas pueden conectarse en estrella o en triángulo dependiendo de la tensión que soporten las bobinas y de qué tensión sea la red trifásica.

En la placa de características nos encontraremos siempre dos valores de tensión, el valor más pequeño de esos dos valores es la tensión nominal que soporta cada bobina, es decir, si un motor eléctrico nos indica que es 230/400 v, nos está indicando que la tensión nominal que aguantan las bobinas es 230 voltios.
Unos ejemplos nos aclararán las ideas, si la red que tenemos es de 230 V y el motor es de 230/400 v debemos conectar el motor en triángulo ya que con esta conexión cada bobina recibirá 230 v.

Con la red trifásica de 400 v, y el mismo motor 230/400 v, deberemos conectar el motor en estrella porque así cada bobinado recibirá 400/√3 = 230 v, es decir, la tensión que soporta cada bobina.

El motor dispone de unos puentes que se colocarán según las fotos si se conectan en estrella o en triángulo.

Caja de bornes de un motor asíncrono. Foto viatger.

Disposiciones típicas de las bobinas en la caja de bornas del motor. Dibujo viatger (ya, es malo de narices)

Motor asíncrono conectado en estrella. En las bornas superiores iría una fase por borna y como se puede apreciar las bornas de abajo están puenteadas. Foto viatger.

En esta imagen se aprecia de qué forma conectan los puentes las bobinas en estrella.

Motor asíncrono conectado en triángulo. En las bornas superiores iría una fase por borna y se puede apreciar cómo deben ir los puentes. Foto viatger.

En esta imagen se aprecia de qué forma conectan los puentes las bobinas en triángulo. Dibujo viatger.

Esquema de potencia del arranque directo de un motor de inducción. Imagen sacada del Telesquemario de Telemecanique.

En el esquema podemos observar un seccionador con fusibles incorporados que protegerán el circuito contra cortocircuitos, un contactor que efectuará la conexión y desconexión del motor, el relé térmico que protegerá al motor contra sobrecargas dicha protección es como si realizara una imagen térmica del motor en otra entrada hablaremos de este relé.

La nomenclatura de los bornes del motor no es aleatoria cumplen con una normativa actual, pero todavía hoy se conservan y se construyen muchos motores con la anterior normativa por tanto sus equivalencias son:

- U1 en la norma antigua es U.
- V1 en la norma antigua es V.
- W1 en la norma antigua es W.
- W2 en la norma antigua es Z.
- U2 en la norma antigua es X.
- V2 en la norma antigua es Y.
- Así como las fases, según la actual normativa, son L1, L2, L3 en la antigua era R, S, T, aunque se utilizan mucho ambas nomenclaturas. En otras obras de electrotecnia a las fases las denominan A, B, C.
Si somos observadores nos daremos cuenta que la normativa actual deja bien definidas los principios y finales de cada bobina del motor.

Arranque estrella-triángulo.

Los motores de poca potencia pueden arrancarse directamente como vimos en el apartado anterior, pero cuando las potencias superan un valor se deben conectar los motores mediante algún sistema de arranque para evitar la sobreintensidad de arranque elevada que puede provocar perturbaciones en la red como por ejemplo caídas de tensión inadmisibles. Un motor eléctrico en el arranque puede consumir entre 6 y 8 veces la intensidad nominal.

Por otra parte el Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión en su ITC- BT-47 Instalación de receptores. Motores, indica que aquellos motores de potencia superior a 0,75 Kw deberán llevar dispositivos de arranque.
Existen diversos dispositivos de arranque mediante, resistencias estatóricas, autotransformador, relés estáticos, variadores de frecuencia, etc., pero en esta ocasión solamente trataré el clásico arranque estrella-triángulo que todo electricista que se precie debe conocer sin vacilar.

El arranque estrella-triángulo lo que hace es arrancar a tensión reducida el motor asíncrono mediante la conexión estrella que se hará a través de los contactores KM1 y KM3, una vez que el motor alcanza el 80 % de su velocidad nominal, se desconecta la conexión estrella, es decir, el contactor KM3 y se conecta la conexión triángulo, el contactor KM2.

Al esquema de potencia que he puesto hay que hacer algún comentario:

A) En el arranque estrella-triángulo en la caja de bornes NO se debe colocar ningún puente.

B) El relé térmico debe proteger tanto en una conexión como en otra, es decir, durante todo el proceso de arranque.

Motores que se pueden conectar en estrella triángulo:

Red de 230 v y motor bitensión de 230/400 v
Red de 400 v y motor bitensión de 400/690 v

En estas gráficas se puede observar la diferencia de intensidad consumida y el par entre el arranque directo y el estrella-triángulo.

Se puede ver que en el caso de la gráfica de intensidad la corriente en arranque directo consume el motor 6 A, mientras que cuando lo hace en conexión estrella consume 2 A para pasar a consumir 3 A al entrar en triángulo.

COMPARACIÓN ENTRE ARRANQUE DIRECTO Y EL ESTRELLA-TRIÁNGULO.

La primera cifra corresponde al arranque directo y la segunda al estrella-triángulo:
- Corriente de arranque: 100 % - 33%.- Sobrecarga de la línea: 4 a 8 In – 1,3 a 2,6 In.- Par inicial en el arranque: 0,6 a 1,5 Cn – 0,2 a 0,5 Cn.
- Mando: todo/nada – todo/nada.- Tiempos de arranque: 2 a 3 segundos – 3 a 7 segundos.
Ventajas arranque directo:
- Arrancador simple y económico.
- Par de arranque importante.

Inconvenientes arranque directo:

- Punta de corriente muy importante.
- Arranque muy brusco.

Ventajas arranque estrella-triángulo:

- Arrancador económico.
- Buena relación par/corriente.

Inconvenientes arranque estrella-triángulo:
- Débil par de arranque sin posibilidad de ajuste.
- Corte de tensión en el cambio de acoplamiento.
- Motor de 6 bornas.

motor jaula de ardilla

Jaula de ardilla

Esquema del rotor de jaula de ardilla.

Un rotor de jaula de ardilla es la parte que rota usada comúnmente en un motor de inducción de corriente alterna. Un motor eléctrico con un rotor de jaula de ardilla también se llama "motor de jaula de ardilla". En su forma instalada, es un cilindro montado en un eje. Internamente contiene barras conductoras longitudinales de aluminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambos extremos poniendo en cortocircuito los anillos que forman la jaula. El nombre se deriva de la semejanza entre esta jaula de anillos y barras y la rueda de un hámster (ruedas probablemente similares existen para las ardillas domésticas).
La base del rotor se construye de un apilado hierro de laminación. El dibujo muestra solamente tres capas de apilado pero se pueden utilizar muchas más.
Los devanados inductores en el estátor de un motor de inducción instan al campo magnético a rotar alrededor del rotor. El movimiento relativo entre este campo y la rotación del rotor induce corriente eléctrica, un flujo en las barras conductoras. Alternadamente estas corrientes que fluyen longitudinalmente en los conductores reaccionan con el campo magnético del motor produciendo una fuerza que actúa tangente al rotor, dando por resultado un esfuerzo de torsión para dar vuelta al eje. En efecto el rotor se lleva alrededor el campo magnético pero en un índice levemente más lento de la rotación. La diferencia en velocidad se llama "deslizamiento" y aumenta con la carga.

A menudo, los conductores se inclinan levemente a lo largo de la longitud del rotor para reducir ruido y para reducir las fluctuaciones del esfuerzo de torsión que pudieron resultar, a algunas velocidades, y debido a las interacciones con las barras del estator. El número de barras en la jaula de la ardilla se determina según las corrientes inducidas en las bobinas del estator y por lo tanto según la corriente a través de ellas. Las construcciones que ofrecen menos problemas de regeneración emplean números primos de barras.
El núcleo de hierro sirve para llevar el campo magnético a través del motor. En estructura y material se diseña para reducir al mínimo las pérdidas. Las laminas finas, separadas por el aislamiento de barniz, reducen las corrientes parásitas que circulan resultantes de las corrientes de Foucault (en inglés, 'eddy current'). El material, un acero bajo en carbono pero alto en silicio, con varias veces la resistencia del hierro puro, en la reductora adicional. El contenido bajo de carbono le hace un material magnético suave con pérdida bajas por histéresis.
El mismo diseño básico se utiliza para los motores monofásicos y trifásicos sobre una amplia gama de tamaños. Los rotores para trifásica tienen variaciones en la profundidad y la forma de barras para satisfacer los requerimientos del diseño. Este motor es de gran utilidad en variadores de velocidad.

 Uso en motores sincrónicos

Los motores síncronos de CA trifásicos deben utilizar otros tipos de rotores aunque pueden emplear una bobina de jaula de ardilla para permitir que alcancen la velocidad de sincronismo en el arranque. Una vez funcionando a la velocidad síncrona, el campo magnético está rotando a la misma velocidad que el rotor, así que no se inducirá ninguna corriente en las bobinas de la jaula de la ardilla y no tendrán ningún otro efecto en la operación del motor síncrono.

motor universal de cd

Motores universales de CD El taladro eléctrico común utiliza una clase diferente de motor. En donde un motor de inducción genera corriente (y también su campo magnético acompañante) en el rotor, la corriente directa (CD) y los motores universales le envían corriente al rotor, a través de un contacto físico directo, el que usualmente es llamado la armadura. La corriente es enviada a la armadura a través de bloques de carbón, o escobillas, que sostienen un componente que es comúnmente llamado conmutador. El conmutador dirige la corriente a través del enrollado de la armadura, donde su campo magnético tiene una interacción con el propio campo magnético del enrollado estacionario.      En su forma básica de corriente directa (CD), un conmutador de dos segmentos es simplemente un interruptor que invierte la polaridad del flujo de corriente a través de la armadura (Fig. 3). Como tal, el conmutador convierte la corriente directa a una forma de corriente alterna, y la armadura es forzada a girar como se explicó en los motores de corriente alterna.      En la práctica, el conmutador tiene muchos segmentos aislados (cada uno de ellos está conectado a un enrollado en la armadura) para generar un campo magnético rotatorio que haga girar la armadura. Los motores universales son similares a los motores de corriente directa, pero a los mismos se le hacen ciertas modificaciones, de manera que puedan funcionar tanto con corriente alterna como con corriente directa.

generalizaciones sobre los motores

Un motor simple Si se monta un magneto permanente en un pivote, junto a un magneto eléctrico, y se conecta la corriente, el magneto permanente se alineará a sí mismo con el magneto eléctrico, a medida que su polo positivo es atraído por el polo negativo del magneto eléctrico (Fig. 1 ). Si se cambia la dirección de la corriente en el momento correcto, se consigue que el magneto dé una rotación de 180°. Si se continúa haciendo cambiar la dirección de la corriente a los intervalos apropiados, el magneto permanente girará.      Aunque hay varias maneras de hacer que la corriente cambie de dirección, la corriente alterna (CA) realiza esta labor de una forma automática. En esta corriente el voltaje pasa por un ciclo desde cero hasta una cúspide positiva, y de allí nuevamente desciende a cero, y entonces repite este proceso mientras la corriente fluye en la dirección opuesta. La corriente normal de uso doméstico repite este proceso de cambio 60 veces cada segundo. Los motores de inducción Los motores más comunes hallados en los equipos electrodomésticos, como un refrigerador o una estufa de calefacción, son motores de inducción. La inducción electromagnética ocurre cuando un conductor corta a través de un campo magnético. El campo magnético genera un flujo de corriente en el conductor sin que exista un contacto físico. Un motor de inducción tiene un centro rotatorio, o rotor, el que está hecho de un anillo de conductores no magnéticos, conectados en los extremos, y contenidos en un cilindro laminado en acero. El rotor está rodeado por un enrollado con un campo estacionario, el que es llamado estator (que significa circuito fijo). En su forma más simple, el estator tiene dos polos (norte y sur) que crean un campo electromagnético a través del propio estator. Este campo induce una corriente en el rotor que, a su vez, genera un campo magnético. La interacción entre el campo magnético inducido en el rotor y el campo magnético del estator, que varía con la corriente alterna (CA), fuerza al rotor a girar.      El número de polos en el estator, conjuntamente con la frecuencia de la corriente alterna (60 ciclos por segundo), determina la velocidad a la cual el campo magnético trata de hacer girar el rotor (la velocidad sincrónica). En teoría, un motor de dos polos gira una revolución completa en cada ciclo de la corriente alterna, o sea: 3.600 revoluciones por minuto. Si se cambia aun motor de cuatro polos, entonces el campo magnético solamente gira 1802 durante cada ciclo, a una velocidad de 1.800 rpm. Sin embargo, la velocidad real de un motor típico de inducción se retrasa con respecto a la velocidad sincrónica. Esta pérdida, llamada de deslizamiento, hace que las velocidades usuales reales sean de 3.450 y 1.725 rpm respectivamente .      Desde luego, este motor teórico solamente funcionará si es conducido a su velocidad de operación por alguna otra fuente. En la práctica, hay varias formas de hacer que las cosas se muevan. En un sistema de tres fases, la corriente está compuesta de tres ciclos de voltajes iguales funcionando de forma concurrente. Cuando cada uno de esos ciclos alimenta su respectivo enrollado en el estator, un campo magnético rotatorio es producido, al que inmediatamente sigue el rotor (Fig. 2). Los motores de una fase única a menudo utilizan en el estator un alambrado separado de arranque. Conjuntamente con el capacitador, este enrollado de arranque genera un campo magnético que está fuera de fase con el enrollado del campo primario. Esto trae como resultado un campo rotatorio que hace girar el rotor. Cuando el rotor alcanza velocidad, entonces un interruptor centrífugo desconecta el alambrado de arranque de la fuente de energía.      Los motores que usan inducción están hechos de una variedad de diseños con características de funcionamiento hechas a la medida del trabajo a realizar. Los motores de fase dividida vienen en tamaños de potencias con caballajes fraccionales, para activar accesorios de servicio ligero y herramientas motrices. Los motores con capacitadores de arranque comúnmente son usados en maquinarias y tienen potencia de hasta 10 caballos.

partes de un moto electrico

uso de los motores

imagenes de motores