2.- INFORME DE OCTUBRE MOTORES ELÉCTRICOS ESPECIALES

Motores Eléctricos Especiales

22/10/2011

CONTENIDO. CONTENIDO............................................................................ 1 OBJETIVO ................................................................................ 2 INTRODUCCIÓN....................................................................... 4 ¿QUÉ ES UN MOTOR ELÉCTRICO?.............................................. 5 CONCLUSIONES..................................................................... 66 RESUMEN.............................................................................67 CUESTIONARIO...................................................................... 95 REFERENCIAS........................................................................ 98

Motores Eléctricos Especiales 22 de octubre de 2011

OBJETIVO En esta indagación daremos a conocer un poco más sobre un tema de gran importancia en el ámbito industrial, como lo son los motores eléctricos especiales.

Con ello el alumno podrá obtener bases de gran importancia, así como poder tener una idea aún más amplia sobre el tema ya mencionado.

Creemos que a partir de esta investigación el alumno logrará resolver algunas dudas, así como descubrir algunos otros puntos muy importantes y aprenderá más sobre el tema.

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Esta investigación de gran interés es desarrollada con la intención de que funcione como guía que permita un aprendizaje profundo y abra los panoramas del tema dejándolos más claros.

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INTRODUCCIÓN Los motores eléctricos son máquinas eléctricas rotatorias que transforman la energía eléctri ca en energía mecánica. Debido a sus múltiples ventaja s, entre las que cabe citar su economía, limpieza, comodidad y seguridad de funcionamiento, el motor eléctrico ha reemplazado en gran parte a otras fuentes de energía, tanto en la industria como en el transporte, las minas, el comercio, o el hogar.

Faraday, Michael (1791-1867), fue el que descubrió el principio del motor eléctrico el descubrió la inducción. Inducción es la

generación de una corriente

eléctrica en un conductor en movimiento en el interior de un campo magnético físico. A partir de ese descubrimiento se potencio el estudio sobre la electrónica. Para calcular la inducción magnética se tiene que aplicar esta fórmula.

Los motores eléctricos satisfacen una amplia gama de necesidades de servicio, desde arrancar, acelerar, mover, o frenar, hasta sostener y detener una carga. Estos motores se fabrican en potencias que varían desde una pequeña fracción de caballo hasta varios miles, y con una amplia variedad de velocidades, que pueden ser fijas, ajustables o variables.

A continuación hablaremos más de ello.

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¿QUÉ ES UN MOTOR ELÉCTRICO?

Un

motor eléctrico es una máquina eléctrica que

transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de interacciones electromagnéticas. Algunos de los motores eléctricos son reversibles, pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores. Los motores eléctricos de tracción usados en locomotoras realizan a menudo ambas tareas, si se los equipa con frenos regenerativos.

Son

ampliamente

utilizados

en

instalaciones

industriales,

comerciales

y

particulares. Pueden funcionar conectados a una red de suministro eléctrico o a baterías. Así, en automóviles se están empezando a utilizar en vehículos híbridos para aprovechar las ventajas de ambos.

Fundamentos de operación de los motores eléctricos En magnetismo se conoce la existencia de dos polos: polo norte (N) y polo sur (S), que son las regiones donde se concentran las líneas de fuerza de un imán. Un motor para funcionar se vale de las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos. De acuerdo con esto, todo motor tiene que estar formado con polos alternados entre el estator y el rotor, ya que los polos magnéticos iguales se

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repelen, y polos magnéticos diferentes se atraen, produciendo así el movimiento de rotación. En la figura 1.9 se muestra como se produce el movimiento de rotación en un motor eléctrico.

Un motor eléctrico opera primordialmente en base a dos principios: El de inducción, descubierto por Michael Faraday en 1831; que señala, que si un conductor se mueve a través de un campo magnético o está situado en las proximidades de otro conductor por el que circula una corriente de intensidad variable, se induce una corriente eléctrica en el primer conductor. Y el principio que André Ampére observo en 1820, en el que establece: que si una corriente pasa a través de un conductor situado en el interior de un campo magnético, éste ejerce una fuerza mecánica o f.e.m. (fuerza electromotriz), sobre el conductor.

Figura 1.9 Generación del movimiento de rotación

Principio de funcionamiento

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Los motores de corriente alterna y los de corriente continua se basan en el mismo principio de funcionamiento, el cual establece que si un conductor por el que circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de la acción de un campo magnético, éste tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnético. El conductor tiende a funcionar como un electroimán debido a la corriente eléctrica que circula por el mismo adquiriendo de esta manera propiedades magnéticas, que provocan, debido a la interacción con los polos ubicados en el

estátor, el

movimiento circular que se observa en el rotor del motor.

Partiendo del hecho de que cuando pasa corriente por un conductor produce un campo magnético, además si lo ponemos dentro de la acción de un

campo

magnético potente, el producto de la interacción de ambos campos magnéticos hace que el conductor tienda a desplazarse produciendo así la energía mecánica. Dicha energía es comunicada al exterior mediante un dispositivo llamado flecha.

Ventajas En diversas circunstancias presenta muchas ventajas respecto a los

motores de

combustión:

A igual potencia, su tamaño y peso son más reducidos.

Se pueden construir de cualquier tamaño.

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Tiene un par de giro elevado y, según el tipo de motor, prácticamente constante.

Su rendimiento es muy elevado (típicamente en torno al 75%, aumentando el mismo a medida que se incrementa la potencia de la máquina).

Este tipo de motores no emite contaminantes, aunque en la generación de energía eléctrica de la mayoría de las redes de suministro si emiten contaminantes.

Clasificación general de los motores eléctricos Un motor eléctrico es esencialmente una máquina que convierte energía eléctrica en movimiento o trabajo mecánico, a través de medios electromagnéticos.

Debido a que son muchos y variados los tipos de motores eléctricos, existen numerosas formas de catalogarlos. A continuación se muestran algunas de las formas más usuales:

• Por su alimentación eléctrica [véase figura 1.1]

• Por el número de fases en su alimentación [ véase figura 1.2]

• Por su sentido de giro [véase figura 1.3]

• Por su flecha [véase figura 1.4]

• Por su ventilación [véase figura 1.5]

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• Por su carcasa [véase figura 1.6]

• Por la forma de sujeción [véase figura 1.7]

•Por la posición de su flecha [véase figura 1.8]

Figura 1.1 Clasificación por su alimentación eléctrica

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Figura 1.2 Clasificación por el número de fases en su alimentación

Figura 1.3 Clasificación por su sentido de giro

Figura 1.4 Clasificación por su flecha

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Figura 1.5 Clasificación por su ventilación

Figura 1.6 Clasificación por su carcasa

Figura 1.7 Clasificación por la forma de sujeción

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Figura 1.8 Clasificación por la posición de su flecha

Motores de corriente continúa Los motores de corriente continua se clasifican según la forma como estén conectados, en:

Motor serie Motor compound Motor shunt Motor eléctrico sin escobillas

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Además de los anteriores, existen otros tipos que son utilizados en electrónica:

Motor paso a paso

Servomotor Motor sin núcleo

Motores Eléctricos Todos los motores de corriente continua así como los síncronos de corriente alterna incluidos en la clasificación anterior tienen una utilización y unas aplicaciones muy específicas.

Los motores de corriente alterna asíncronos, tanto monofásicos como trifásicos, son los que tienen una aplicación más generalizada gracias a su facilidad de utilización, poco mantenimiento y bajo coste de fabricación. Por ello, tanto en esta unidad como en la siguiente nos centraremos en la constitución, el funcionamiento y la puesta en marcha de los motores asíncronos de inducción.

La velocidad de sincronismo de los motores eléctricos de corriente alterna viene definida por la expresión:

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Dónde: n Número de revoluciones por minuto

f Frecuencia de la red

p Número de pares de polos de la máquina

Se da el nombre de motor asíncrono al motor de corriente alterna cuya parte móvil gira a una velocidad distinta a la de sincronismo.

Aunque a frecuencia industrial la velocidad es fija para un determinado motor, hoy día se recurre a variadores de frecuencia para regular la velocidad de estos motores.

La velocidad de giro de los motores eléctricos suele tener un valor fijo, a no ser que se utilicen variadores electrónicos de frecuencia.

Constitución del motor asíncrono de inducción

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Como todas las máquinas eléctricas, un motor eléctrico está constituido por un circuito magnético y dos eléctricos, uno colocado en la parte fija (estátor) y otro en la parte móvil (rotor) (véase la Figura 11.1).

El circuito magnético está formado por chapas apiladas en forma de cilindro en el rotor y en forma de anillo en el estátor (véase la Figura 11.2).

El cilindro se introduce en el interior del anillo y, para que pueda girar libreme nte, hay que dotarlo de un entrehierro constante. El anillo se dota de ranuras en su parte interior para colocar el bobinado inductor y se envuelve exteriormente por una pieza metálica con soporte llamada carcasa.

El cilindro se adosa al eje del motor y puede estar ranurad o en su superficie para colocar el bobinado inducido (motores de rotor bobinado) o bien se le incorporan conductores de gran sección soldados a anillos del mismo material en los extremos del cilindro (motores de rotor en cortocircuito) similar a una jaula de ardilla, de ahí que reciban el nombre de rotor de jaula de ardilla.

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El eje se apoya en unos rodamientos de acero para evitar rozami entos y se saca al exterior para transmitir el movimiento, y lleva acoplado un ventilador para refrigeración. Los extremos de los bobinados se sacan al exterior y se conectan a la placa de bornes (véase la Figura 11.3).

Motores de corriente alterna Los motores de C.A. se clasifican de la siguiente manera:

Asíncrono o de inducción

El motor eléctrico de corriente alterna basa su funcionamiento en la acción que ejerce el campo magnético giratorio generado en el estátor sobre las corrientes que circulan por los conductores situados sobre el rotor.

Los motores asíncronos o de inducción son aquellos motores eléctricos en los que el rotor nunca llega a girar en la misma frecuencia con la que lo hace el campo magnético del estator. Cuanto mayor es el par motor mayor es esta diferencia de frecuencias.

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

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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)

“Monofásicos” Motor de arranque a resistencia. Posee dos bobinas una de arranque y una bobina de trabajo.

Motor de arranque a condensador. Posee un condensador electrolítico en serie con la bobina de arranque la cual proporciona más fuerza al momento de la marcha y se puede colocar otra en paralelo la cual mejora la reactancia del motor permitiendo que entregue toda la potencia.

Motor de marcha. Motor de doble condensador. Motor de polos sombreados o polo sombra.

“Trifásicos” Motor de Inducción. A tres fases

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La mayoría de los motores trifásicos tienen una carga equilibrada, es decir, consumen lo mismo en las tres fases, ya estén conectado s en estrella o en triángulo. Las tensiones en cada fase en este caso son iguales al resultado de dividir la tensión de línea por raíz de tres. Por ejemplo, si la tensión de línea es 380 V, entonces la tensión de cada fase es 220 V.

Rotor Devanado El rotor devanado o bobinado, como su nombre lo indica, lleva unas bobinas que se conectan a unos anillos deslizantes colocados en el eje; por medio de unas escobillas se conecta el rotor a unas resistencias que se pueden variar hasta poner el rotor en corto circuito al igual que el eje de jaula de ardilla.

“Monofásicos” Motor universal

Motor de Inducción-Repulsión.

Motor de fase partida

Motor por reluctancia

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Motor de polos sombreados

“Trifásico” Motor de rotor devanado.

Motor asíncrono

Motor síncrono

Síncrono

En este tipo de motores y en condiciones normales, el rotor gira a las mismas revoluciones que lo hace el campo magnético del estator.

Usos Los motores eléctricos se utilizan en la gran mayoría de las máquinas modernas. Su reducido tamaño permite introducir motores potentes en máquinas de pequeño tamaño, por ejemplo taladros o batidoras.

Cambio de sentido de giro

Para efectuar el cambio de sentido de giro de los motores eléctricos de corriente alterna se siguen unos simples pasos tales como:

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Para motores monofásicos únicamente es necesario invertir las terminales del devanado de arranque, esto se puede realizar manualment e o con unos relevadores

Para motores trifásicos únicamente es necesario invertir dos de las conexiones de alimentación correspondientes a dos fases de acuerdo a la secuencia de trifases.

Para motores de A.C. es necesario invertir los contactos del par de arranque.

Regulación de velocidad En los motores asíncronos trifásicos existen dos formas de poder variar la velocidad, una es variando la frecuencia mediante un equipo electrónico especial y la otra es variando la polaridad gracias al diseño del motor. Esto último es posible en los motores de devanado separado, o los motores de conexión Dahlander.

Tipos y características de los Motores Eléctricos. Existen básicamente tres tipos de motores eléctricos:

a)

Los Motores de Corriente Directa [C.D.] o Corriente Continua [C.C.] . Se

utilizan en casos en los que es importante el poder regular continuamente la velocidad del motor, además, se utilizan en aquellos casos en los que es imprescindible utilizar corriente directa, como es el caso de motores accionados por pilas o baterías. Este tipo de motores debe de tener en el rotor y el estator el

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mismo número de polos y el mismo número de carbones. Los motores de corriente directa pueden ser de tres tipos:

• Serie

• Paralelo • Mixto

b)

Los Motores de Corriente Alterna [C.A.]. Son los tipos de motores más

usados en la industria, ya que estos equipos se alimentan con los sistemas de distribución de energías “normales”. De acuerdo a su alimentación se dividen en tres tipos:

• Monofásicos (1 fase)

• Bifásicos (2 fases)

• Trifásicos (3 fases)

c)

Los Motores Universales. Tienen la forma de un motor de corriente continua,

la principal diferencia es que está diseñado para funcionar con corriente alterna. El inconveniente de este tipo de motores es su eficiencia, ya que es baja (del orden del 51%), pero como se utilizan en máquinas de pequeña potencia, ésta no se considera importante, además, su operación debe ser intermitente, de lo contrario, éste se quemaría.

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Estos motores son utilizados en taladros, aspiradoras, licuadoras, etc.

Partes fundamentales de un motor eléctrico Dentro de las características fundamentales de los motores eléctricos, éstos se hallan formados por varios elementos, sin embargo, las partes principales son: el estator, la carcasa, la base, el rotor, la caja de conexiones, las tapas y los cojinetes [véase figura 1.10]. No obstante, un motor puede funcionar solo con el estator y el rotor.

Figura 1.10 Partes de un motor de C.A.

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Estator El estator es el elemento que opera como base, permitiendo que desde ese punto se lleve a cabo la rotación del motor. El estator no se mueve mecánicamente, pero si magnéticamente. Existen dos tipos de estatores [ver figura 1.12]:

a) Estator de polos salientes

b) Estator rasurado

Figura 1.12 Tipos de estatores El estator está constituido principalmente de un conjunto de láminas de acero al silicio (y se les llama “paquete”), que tienen la habilidad de permitir que pase a través de ellas el flujo magnético con facilidad; la parte metálica del estator y los devanados proveen los polos magnéticos.

Los polos de un motor siempre son pares (pueden ser 2, 4, 6, 8, 10, etc.,), por ello el mínimo de polos que puede tener un motor para funcionar es dos (un norte y un sur).

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Rotor El rotor es el elemento de transferencia mecánica, ya que de él depende la conversión de energía eléctrica a mecánica. Los rotores, son un conjunto de láminas de acero al silicio que forman un paquete, y pueden ser básicamente de tres tipos [figura 1.13]:

a) Rotor ranurado

b) Rotor de polos salientes c) Rotor jaula de ardilla

Figura 1.13 Tipos de estatores Carcasa

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La carcasa es la parte que protege y cubre al estator y al rotor, el material empleado para su fabricación depende del tipo de motor, de su diseño y su aplicación. Así pues, la carcasa puede ser:

a) Totalmente cerrada

b) Abierta

c) A prueba de goteo

d) A prueba de explosiones

e) De tipo sumergible

Base La base es el elemento en donde se soporta toda la fuerza mecánica de operación del motor, puede ser de dos tipos:

a) Base frontal

b) Base lateral

Caja de conexiones Por lo general, en la mayoría de los casos los motores eléctricos cuentan con caja de conexiones. La caja de conexiones es un elemento que protege a los

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conductores que alimentan al motor, resguardándolos de la operación mecánica del mismo, y contra cualquier elemento que pudiera dañarlos.

Tapas

Son los elementos que van a sostener en la gran mayoría de los casos a los cojinetes o rodamientos que soportan la acción del rotor.

Cojinetes También conocidos como rodamientos, contribuyen a la óptima operación de las partes giratorias del motor. Se utilizan para sostener y fijar ejes mecánicos, y para reducir la fricción, lo que contribuye a lograr que se consuma menos potencia. Los cojinetes pueden dividirse en dos clases generales:

a) Cojinetes de deslizamiento [ver figura 1.14].- Operan el base al principio de la película de aceite, esto es, que existe una delgada capa de lubricante entre la barra del eje y la superficie de apoyo.

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Figura 1.14 Cojinete de deslizamiento b) Cojinetes de rodamiento[véase figura 1.15].- Se utilizan con preferencia en vez de los cojinetes de deslizamiento por varias razones:

• Tienen un menor coeficiente de fricción, especialmente en el arranque. • Son compactos en su diseño

• Tienen una alta precisión de operación.

• No se desgastan tanto como los cojinetes de tipo deslizante.

• Se remplazan fácilmente debido a sus tamaños estándares

Figura 1.15 Cojinete de rodamiento

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Características particulares de los motores eléctricos de corriente alterna Los parámetros de operación de un motor designan sus características, es importante determinarlas, ya que con ellas conoceremos los parámetros determinantes para la operación del motor. Las principales características de los motores de C.A. son:

Potencia: Es la rapidez con la que se realiza un trabajo; en física la Potencia = Trabajo/tiempo, la unidad del Sistema Internacional para la potencia es el joule por segundo, y se denomina watt (W). Sin embargo estas unidades tienen el inconveniente de ser demasiado pequeñas para propósitos industriales.

Por lo tanto, se usan el kilowatt (kW) y el caballo de fuerza (HP) que se definen como:

1 kW = 1000 W

1 HP = 747 W = 0.746 kW

1kW = 1.34 HP

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Voltaje: También llamada tensión eléctrica o diferencia de potencial, existe entre dos puntos, y es el trabajo necesario para desplazar una carga positiva de un punto a otro:

E = [VA −VB]

Dónde: E = Voltaje o Tensión

VA = Potencial del punto A

VB = Potencial del punto B

La diferencia de tensión es importante en la operación de un motor, ya que de esto dependerá la obtención de un mejor aprovechamiento de la operación.

Los voltajes empleados más comúnmente son: 127 V, 220 V, 380 V, 440 V, 2300 V y 6000 V.

Corriente: La corriente eléctrica [I], es la rapidez del flujo de carga [Q] que pasa por un punto dado [P] en un conductor eléctrico en un tiempo [t] determinado.

Dónde: I = Corriente eléctrica

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Q = Flujo de carga que pasa por el punto P

t = Tiempo

La unidad de corriente eléctrica es el ampere. Un ampere [A] representa un flujo de carga con la rapidez de un coulomb por segundo, al pasar por cualquier punto.

Los

motores

eléctricos

esgrimen

distintos

tipos

de

corriente,

que

fundamentalmente son: corriente nominal, corriente de vacío, corriente de arranque y corriente a rotor bloqueado.

Corriente nominal: En un motor, el valor de la corriente nomina l es la cantidad de corriente que consumirá el motor en condiciones normales de operación.

Corriente de vacío: Es la corriente que consumirá el motor cuando no se encuentre operando con carga y es aproximadamente del 20% al 30% de su corriente nominal.

Corriente de arranque: Todos los motores eléctricos para operar consumen un excedente de corriente, mayor que su corriente nominal, que es aproximadamente de dos a ocho veces superior.

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Corriente a rotor bloqueado: Es la corriente máxima que soportara el motor cuando su rotor esté totalmente detenido.

Revoluciones por minuto (R.P.M.) o velocidad angular: Se define como la cantidad de vueltas completas que da el rotor en el lapso de un minuto; el símbolo de la velocidad angular es omega [W], no obstante, en la industria se utilizan también para referirse, la letras: “N” o simplemente las siglas R.P.M.

W = N = 2ΠF

F = 1/ t

Dónde: W=N = Revoluciones por minuto o velocidad angular Π = Constante [3.14]

F = Frecuencia

t = Tiempo

Las unidades de la velocidad son los radianes por segundo (rad/s), sin embargo la velocidad también se mide en metros por segundo (m/s) y en revoluciones por minuto [R.P.M.]. Para calcular las R.P.M. de un motor se utiliza la ecuación:

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Donde: R.P.M. = Revoluciones por minuto o velocidad angular

F = Frecuencia

Factor de potencia: El factor de potencia [cos Φ] se define como la razón que existe entre Potencia Real [P] y Potencia Aparente [S], siendo la potencia aparente el producto de los valores eficaces de la tensión y de la corriente:

Figura 1.16 Factor de

potencia

Donde: P = Potencia real

S = Potencia aparente

El factor de potencia nunca puede ser mayor que la unidad, regularmente oscila entre 0.8 y 0.85. En la práctica el factor de potencia se expresa, generalmente, en tanto por ciento, siendo el 100% el factor máximo de potencia posible. Un factor de potencia bajo es una característica desfavorable de cualquier carga.

Número de fases: Depende directame nte del motor y del lugar de instalació n, por ejemplo: Para motores con potencia menor o igual a 1 HP (a nivel doméstico), generalmente, se alimentan a corriente monofásica (127 V.); cuando la potencia

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del motor oscila entre 1 y 5 HP lo más recomendable es conectarlo a corriente bifásica o trifásica (220 V.); y para motores que demanden una potencia de 5 HP o más, se utilizan sistemas trifásicos o polifásicos.

Par o Torque: Un par de fuerzas es un conjunto de dos fuerzas de magnitudes iguales pero de sentido contrario. El momento del par de fuerzas o torque, se representa por un vector perpendicular al plano del par.

Par Nominal: Es el par que se produce en un motor eléctrico para que pueda desarrollar sus condiciones de diseño.

Par de arranque: Es el par que va a desarrollar el motor para romper sus condiciones iniciales de inercia y pueda comenzar a operar.

Par máximo: También llamado par pico, es el par que puede desarrollar el motor sin perder sus condiciones de diseño, es decir, que es el límite en el que trabaja el motor sin consumir más corriente y voltaje, asimismo de que sus revoluciones son constantes, y conjuntamente está relacionado con el factor de servicio.

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Par de aceleración: Es el par que desarrolla el motor hasta que alcanza su velocidad nominal.

Par de desaceleración: Es el par en sentido inverso que debe emplearse para que el motor se detenga.

Par a rotor bloqueado: Se considera como el par máximo que desarrolla un motor cuando se detiene su rotor.

Frecuencia: Es el número de ciclos o repeticiones del mismo movimiento durante un segundo, su unidad es el segundo-1 que corresponde a un

Hertz [Hz] también se llama ciclo [seg−1 = Hertz = Ciclo]

. La frecuencia y el periodo están relacionados inversamente:

Deslizamiento: El deslizamiento es la relación que existe entre la velocidad de los campos del estator y la velocidad de giro del rotor:

z = Vc/ Vr

Dónde: z = Deslizamiento Vc = Velocidad de los campos del estator

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Vr = Velocidad de giro del rotor

En los motores de corriente alterna de inducción, específicamente de jaula de ardilla, el deslizamiento es fundamental para su operación, ya que de él depende que opere o no el motor.

Motores monofásicos Fueron los primeros motores utilizados en la industria. Cuando este tipo de motores está en operación, desarrolla un campo magnético rotatorio, pero antes de que inicie la rotación, el estator produce un campo estacionario pulsante.

Para producir un campo rotatorio y un par de arranque, se debe tener un devanado auxiliar desfasado 90° con respecto al devanado principal. Una vez que el motor ha arrancado, el devanado auxiliar se desconecta del circuito. Debido a que un motor de corriente alterna (C.A.) monofásico tiene dificultades para arrancar, está constituido de dos grupos de devanados: El primer grupo se conoce como el devanado principal o de trabajo, y el segundo, se le conoce como devanado auxiliar o de arranque. Los devanados difieren entre sí, física y eléctricamente. El devanado de trabajo está formado de conductor grueso y tiene más espiras que el devanado de arranque.

Es importante señalar, que el sentido de giro de las bobinas involucra la polaridad magnética correspondiente, como puede verse en la figura 1.18.

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Tipos y características Los motores monofásicos han sido perfeccionados a través de los años, a partir del tipo srcinal de repulsión, en varios tipos mejorados, y en la actualidad se conocen:

Motores de fase partida

Motores de arranque con capacitor

Motores con permanente

Motores de inducción

Motores de polos sombreados

Motores trifásicos Los motores trifásicos usualmente son más utilizados en la industria, ya que en el sistema trifásico se genera un campo magnético rotatorio en tres fases, además de que el sentido de la rotación del campo en un motor trifásico puede cambiarse invirtiendo dos puntas cualesquiera del estator, lo cual desplaza las fases, de manera que el campo magnético gira en dirección opuesta.

Motores asíncronos trifásicos. Tipos y sistemas de arranque

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Como se ha mencionado antes, los motores asíncronos de inducción son aquellos en los que la velocidad de giro del rotor es algo inferior a la de sincronismo. Los podemos encontrar tanto monofásicos como trifásicos.

Motores trifásicos La constitución y el principio de funcionamiento se han expuesto en los párrafos anteriores.

Son motores en los que el bobinado induct or colocado en el estátor está formado por tres bobinados independientes desplazados 120º eléctricos entre sí y alimentados por un sistema trifásico de corriente alterna. Los podemos encontrar de dos tipos: • Rotor en cortocircuito (jaula de ardilla).

• Rotor bobinado.

Tensiones e intensidades en el estátor de los motores trifásicos

Todo bobinado trifásico se puede conectar en estrella (todos los finales conectados en un punto común, alimentando el sistema por los otros extremos libres) o bien en triángulo (conectando el final de cada fase al principio de la fase

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siguiente, alimentando el sistema por los puntos de unión), como se puede apreciar en la Figura 11.5.

En la conexión estrella, la intensidad que recorre cada fase coincide con la intensidad de línea, mientras que la tensión que se aplica a cada fase es 3 menor que la tensión de línea.

En la conexión triángulo la intensidad que recorre cada fase es 3 menor que la intensidad de línea, mientras que la tensión a la que queda sometida cada fase coincide con la tensión de línea.

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Conexión estrella:

Conexión triángulo:

En estas condiciones, el motor se puede considerar como bitensión, ya que las tensiones normalizadas son de 230 o 400 V. Si un motor está diseñado para

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aplicarle 230 V a cada fase, lo podremos conectar a la red de 230 V en triángulo y a la red de 400 V en estrella. En ambos casos, la tensión que se le aplica a cada fase es 230 V. En una y otra conexión, permanecen invariables los parámetros de potencia, par motor y velocidad. La conexión estrella o triángulo se realiza sobre la placa de bornes mediante puentes como se puede apreciar en la Figura 11.6.

Motor de rotor en cortocircuito El motor de rotor en cortocircuito es el de construcción más sencilla, de funcionamiento más seguro y de fabricación más económica.

Su único inconveniente es el de absorber una elevada intensidad en el arranque a la tensión de funcionamiento. Su constitución se vio en la Figura 11.3.

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En el momento del arranque este motor acoplado directamente a la red presenta un momento de rotación de 1,8 a 2 veces el de régimen, pero la intensidad absorbida en el arranque toma valores de 5 a 7 veces la nominal.

Para facilitar el conexionado en la placa de bornes del motor (véase la Figura 11.7), los extremos del bobinado inductor se disponen como muestra la Figura 11.8.

Su puesta en marcha se realiza de una forma simple y sencilla mediante un interruptor manual tripolar (véase la Figura 11.9). Estos interruptores han de estar diseñados para la intensidad del motor (véase la Figura 11.10) Un motor trifásico arrancando en Los motores eléctricos más estrella consume de la línea de utilizados son los de rotor en alimentación una intensidad tres cortocircuito, también veces menor que si lo hace directamente triángulo. llamados de jaula de ardilla.

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El Reglamento Electrot écnico de Baja Tensión (REBT) en su instrucción ITC-BT47 regula la relación que debe existir entre las intensidades de arranque y plena carga de los motores alimentados desde una red pública de alimentación en función de su potencia. De dicha relación de proporcionalidad (véase la Tabla 11.1) se desprende que los motores de potencias superiores a 0,75 kW que no cumplan la relación de intensidades expuesta en la tabla, han de disponer de un sistema de arranque que disminuya esa relación.

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La intensidad en el momento del arranque de motores que no cumpla esta relación puede hacer que salten las proteccio nes o bien perjudicar las líneas que los alimentan.

Para evitar estos inconvenientes se disminuye la tensión en el periodo de arranque y con ello la intensidad, y una vez alcanzada la velocidad de régimen se conecta el motor a su tensión nominal, con lo que se logra amortiguar la intensidad de arranque. Para conseguir esto se utilizan los siguientes procedimientos:

• Arranque estrella triángulo.

• Arranque mediante autotransformador.

• Arranque mediante resistencias en serie con el bobinado estatórico.

Arranque estrella triángulo (λ – Δ)

El procedimiento más empleado para el arranque de motores trifásicos de rotor en cortocircuito con relaciones superio res a la expuesta en la Tabla 11.1 consiste en conectar el motor en estrella durante el periodo de arranque y, una vez lanzado, conectarlo en triángulo para que quede conectado a la tensión nominal.

Para ello, se hace necesario intercalar entre el motor y la línea un conmutador manual especial que realiza las conexiones de los extremos del bobinado del motor, sin realizar los puentes sobre la placa de bornes.

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Este conmutador posee tres posiciones: la inicial de desconexión, la siguiente que conecta los bobinados del motor en estrella y la tercera que conecta los bobinados en triángulo. La parada se hace de forma inversa, como se puede ver en el esquema de la Figura 11.11.

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En el mercado podemos encontra r distintos modelos de conmutadores y para distintas intensidades. En la Figura 11.12 vemos un arrancador estrella triángulo denominado de paquete.

Para poder utilizar este método, es necesario que el motor pueda funcionar en conexión triángulo a la tensión de la red. En consecuencia, cuando en el arranque lo conectamos en estrella, cada fase queda sometida a una tensión 3 menor que la de línea y, por lo tanto, la intensidad que circula por ella es también 3 menor que si estuviese conectado en triángulo.

Teniendo en cuenta que si lo conectásemos en triángulo la intensidad en la línea es 3 veces mayor que la de fase, mientras que en estrella son iguales, resulta que el mismo motor arrancado en estrella consume una intensidad 3

⋅3



3 veces

menor que si lo conectamos en triángulo. Por esta misma razón, el momento de rotación también se reduce en un tercio.

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Arranque mediante autotransformador

Es un procedimiento que se utiliza para motores de gran potencia y consiste en intercalar entre la red de alimentación y el motor un autotransformador, como se ve de forma esquemática en la Figura 11.13.

Este tiene distintas tomas de tensión reducida, por lo que, en el momento del arranque, al motor se le aplica la tensión menor disminuyendo la intensidad y se va elevando de forma progresiva hasta dejarlo conectado a la tensión de la red. • Par motor es el momento de fuerza que ejerce un motor sobre el eje de transmisión de potencia. • Par de arranque es el que desarrolla el motor para romper la inercia y comenzar a girar. • Par nominal es el que produce el motor para desarrollar sus condiciones de trabajo.

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Arranque con resistencias en serie con el bobinado del estátor

Es un procedimiento poco empleado que consiste en disponer un reóstato variable en serie con el bobinado estatórico.

La puesta en marcha se hace con el reóstato al máximo de resistencia y se va disminuyendo hasta que el motor queda conectado a la tensión de red.

Su representación de forma esquemática se puede apreciar en la Figura 11.14.

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Motores Eléctricos Especiales 22 de octubre de 2011 Un motor trifásico arrancando en estrella consume de la línea de alimentación una intensidad tres veces menor que si lo hace directamente triángulo.

Para reducir la intensidad consumida por el motor de rotor en cortocircuito en el momento del arranque, siempre se recurre a disminuir la tensión aplicada en la puesta en marcha.

Motor de rotor bobinado y anillos rozantes En este tipo de motores, el rotor va ranurado igual que el estátor, y en él se coloca un bobinado normalmente trifásico similar al del estátor conectado en estrella y los extremos libres se conectan a tres anillos de cobre, aislados y solidarios con el eje del rotor.

La Figura 11.15 muestra el despiece del motor de rotor bobinado.

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Sobre los anillos, se colocan los porta escobillas, que a su vez se conectan a la placa de bornes del motor. Por eso, en la placa de bornes de estos motores aparecen nueve bornes, como muestra la Figura 11.16.

La gran ventaja que presentan estos motores es su par de arranque, ya que puede alcanzar hasta 2,5

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veces el par nominal, mientras que la intensidad en el arranque es similar a la del par nominal.

Para realizar la puesta en marcha, es necesaria la conexión de un reóstato de arranque conectado en serie con el bobinado del rotor, y una vez alcanzada la velocidad de régimen, se puentean los anillos en estrella.

En la Figura 11.17 podemos ver un esquema de conexión de estos motores.

Estos motores tienen una aplicación muy específica y, dada su constitución, necesitan de un mantenimiento mucho más exhaustivo que los de rotor en cortocircuito.

Para reducir la intensidad consumida

Recuerda

por el motor de rotor en cortocircuito en el momento del arranque, siempre se recurre a disminuir la tensión aplicada en la puesta en marcha.

Sentido de giro de los motores trifásicos Para comprobar el campo magnético giratorio, se tenía en cuenta el sentido de circulación de la corriente por las tres fases del bobinado. En él se ve que la resultante del flujo tiene el sentido de giro de las agujas del reloj (sentido horario), por lo que el rotor es arrastrado en el mismo sentido de giro.

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Cuando necesitamos que el giro sea al contrario (sentido anti-horario ), basta con permutar dos fases de alimentación del motor, como se ve en la Figura 11.18, con lo que el motor gira en sentido opuesto.

Hay que tener cuidado de no permutar las tres fases pues en ese caso el motor sigue girando en el mismo sentido. Este fenómeno se observa en el campo magnético giratorio de la Figura 11.4.

Cuando una máquina ha de girar en ambos sentidos, necesitamos un conmutador (inversor) que realice la permuta de la alimentación sin tener que manipular las conexiones.

Estos conmutadores han de estar dimensionados para la intensidad del motor y poseen tres posiciones, con el cero en el medio para conseguir que la inversión no se realice a contramarcha (véase la Figura 11.19).

En la Figura 11.20 podem os ver el esquema de conexione s de un inversor de giro manual para realizar estas maniobras sin tocar las conexiones.

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Si necesitamos invertir el sentido de giro de un motor que arranca en estrella triángulo, es aconsejable invertir dos de los hilos de la alimentación, ya que hacerlo en la placa de bornes es más dificultoso.

Motor universal, constitución y principio de funcionamiento

Es un motor monofásico que puede funcionar tanto en corriente continua como alterna. Su constitución es esencialmente la del motor serie de corriente continua, y sus características de funcionamiento son análogas. En la Figura 11.30 podemos ver representado de forma esquemática este motor.

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El motor serie de corriente continua se caracteriza por tener un fuerte par de arranque y su velocidad está en función inversa a la carga, llegando a embalarse cuando funciona en vacío. Funcionando en corriente alterna, este inconveniente se ve reducido porque su aplicación suele ser en motores de pequeña potencia y las pérdidas por rozamientos, cojinetes, etc., son elevadas con respecto a la total, por lo que no presentan el peligro de embalarse, pero sí alcanzan velocidades de hasta 20000 revoluciones por minuto (rpm), que los hace bastante idóneos para pequeños electrodomésticos y máquinas herramientas portátiles. El motor universal es, sin duda, el más utilizado en la industria del electrodoméstico. Tienen la ventaja de poder regular la velocidad sin grandes inconvenientes.

En la Figura 11.31, podemos ver el detalle del motor universal para un taladro eléctrico.

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Para que un motor de este tipo pueda funcionar con corriente alterna, es necesario que el empilado de su inductor (el núcleo de los electroimanes) sea de chapa magnética para evitar las pérdidas en el hierro.

El bobinado inductor de los motores universales suele ser bipolar, con dos bobinas inductoras. El motor universal funciona en corriente continua exactamente igual que un motor serie. Si el motor se alimenta con corriente alterna, arranca por sí solo, ya que la corriente que recorre el bobinado inductor presenta cien alternancias por segundo, lo mismo que le ocurre a la corriente que recorre el bobinado inducido, por lo que el momento de rotación y el sentido de giro permanecen constantes.

Protección de los motores eléctricos La protección de motores es una función esencial para asegurar la continuidad del funcionamiento de las máquinas. La elección de los dispositivos de protección debe hacerse con sumo cuidado.

Los fallos en los motores eléctricos pueden ser, como en todas las instalaciones, los derivados de cortocircuitos, sobrecargas y los contactos indirectos. Los más

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habituales suelen ser las sobrecargas, que se manifiestan a través de un aumento de la intensidad absorbida por el motor, así como por el aumento de la temperatura de este.

Cada vez que se sobrepasa la temperatura normal de funcionamiento, los aislamientos se desgastan prematuramente. Los efectos negativos no son inmediatos, con lo que el motor sigue funcionando aunque a la larga estos efectos pueden provocar las averías antes expuestas. Por ello, las protecciones utilizadas para motores eléctricos suelen ser, entre otras, las que se expusieron en la Unidad 7:

• Protección contra contactos directos e indirectos.

• Protección contra sobrecargas y cortocircuitos.

• Protección contra contactos directos e indirectos

La protección contra contactos directos e indirectos se realiza mediante la colocación de interruptores diferenc iales complementados con la toma de tierra y su ubicación, funcionamiento así como su conexión se expusieron en la Unidad 7.

• Protección contra sobrecargas y cortocircuitos Las sobrecargas en los motores eléctricos pueden aparecer por exceso de trabajo de estos, desgaste de piezas, fallos de aislamiento en los bobinados o bien por

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falta de una fase. Para proteger las sobrecargas y cortocircuitos se hace uso de los fusibles y los interruptores magnetotérmicos.

Los interruptores magnetotérmicos han de ser del mismo número de polos que la alimentación del motor. Para la protección de motores y transformadores con puntas de corriente eleva das en el arranque estarán dotado s de curva de disparo tipo D en la que el disparo térmico es idéntico a los demás y el disparo magnético se sitúa entre diez y veinte veces la intensidad nominal (In).

De esta forma, pueden soportar el momento del arranque sin que actúe el disparo magnético. En caso de producirse una sobrecarga durante el funcionamiento del motor, actuaría el disparo térmico desconectando toda la instalación.

La protección mediante fusibles es algo más complicada, sobre todo en los motores trifásicos, ya que estos proporcionan una protección fase a fase, de manera que en caso de fundir uno solo, dejan el motor funcionando en dos fases y provocan la sobrecarga.

Por eso, no se montan en soportes unipolares, sino que se utilizan los seccionadores portafusibles que, en caso de disparo de uno de ellos, cortan de forma omnipolar desconectando toda la instalación. En la Figura 11.32 podemos ver un seccionador fusible trifásico y su representación esquemática.

Hemos de recordar que los fusibles adecuados para proteger instalaciones que alimentan motores eléctricos son los del tipo gG.

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Las anomalías más frecuentes en las instalaciones de motores eléctricos suelen ser las sobrecargas. Por ello, habrá que prestar especial atención a las protecciones de estas.

RecuerdaCon

objeto

de

simplificar

y

mejorar las

protecciones

en

los

accionamientos manuales de motores eléctricos, aparecen los disyuntores, que pueden proteger contra cortocircuitos (disyuntores magnéticos) o contra cortocircuitos y sobrecargas (disyuntores magnetotérmicos).

El disyuntor magnético (véase la Figura 11.33) incorpora para su funcionamiento un corte magnético similar al del interruptor magnetotérmico, dotando a la instalación de una protección contra cortocircuitos más eficaz que los fusibles, ya que cortan la instalación en un tiempo menor, si bien hay que dotar a la instalación de otra protección contra las sobrecargas.

El disyuntor magnetotérmico, también llamado disyuntor motor (véase la Figura 11.34), aporta una protección mucho más eficaz a las instalaciones de alimentación de motores eléctricos, ya que proporciona el corte magnético para proteger los posibles cortocircuitos.

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Además, incorpora un corte térmico similar al del interruptor magnetotérmico pero, a diferencia de este, el disyuntor motor tiene la posibilidad de ajustar la intensidad de corte por sobrecarga.

Estos aparatos simplifican enormemente los accionamientos de motores y agrupan en un solo aparato las protecciones contra las averías más frecuentes. También aportan la ventaja de poder realizar la reposición del servicio de forma cómoda y rápida una vez solucionada la avería.

En los siguientes esquemas se representa el accionamiento de un motor trifásico de corriente alterna mediante disyuntor magnético (véase la Figura 11.35), y mediante disyuntor magnetotérmico (véase la Figura 11.36). Observa que en el primero hay que dotar a la instalación de un seccionador fusible para la protección de las sobrecargas.

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Los disyuntores magnetotérmicos aúnan las protecciones contra sobrecargas y cortocircuitos en un solo aparato, además de servirnos de interruptor de accionamiento.

Medidas eléctricas en las instalaciones de motores eléctricos

En las instalaciones encargadas de alimentar motores eléctricos, es necesario el control y la medida de algunas magnitudes eléctricas para garantizar el buen funcionamiento de estas, y en caso de avería, poder localizarlas.

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Las más frecuentes durante el funcionamiento suelen ser las medidas de intensidad, tensión, frecuencia y potencia, mientras que para localizar averías, suelen ser las de continuidad de los bobinados y la de resistencia de aislamientos.

SELECCIÓN DE UN MOTOR ELECTRICO Selección de un motor eléctrico

En las instalaciones de motores eléctricos es conveniente visualizar la medida de la intensidad absorbida para evitar averías.

Es importante hacer una buena selección de un motor eléctrico, ya que de ello dependerá la oportunidad de obtener la mayor vida útil del equipo, y una máxima eficiencia, lo que retribuirá directamente a evitar posibles descomposturas o fallas.

Fundamentos de selección de un motor eléctrico

La selección de un motor depende primordialmente de tres aspectos:

a) La instalación

b) La operación

c) El mantenimiento

Los pasos a seguir para una adecuada selección de un motor eléctrico son:

1) La determinación de la fuente de alimentación

2) La potencia nominal

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3) La velocidad de rotación

4) El ciclo de trabajo (continuo o intermitente)

5) El tipo de motor

6) El tipo de carcasa

Así mismo, debemos considerar las condiciones ambientales de instalación, y algunas características como el acoplamiento de la carga, los accesorios, y las modificaciones mecánicas necesarias.

También es importante considerar en la selección de un motor eléctrico, las condiciones de servicio, siendo las más importantes:

a) Exposición a una temperatura ambiente b) Instalación en partes o alojamientos completamente cerrados o abiertos, buscando una buena ventilación del motor.

c) Operación dentro de la tolerancia de +10% y -10% del voltaje nominal

d) Una operación dentro del valor de frecuencia del +5% y -5%

e) Operación dentro de una oscilación de voltaje del 1% o menos

Par o Torque

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Definimos como par al conjunto de dos fuerzas de fuerzas de magnitudes iguales pero de sentido contrario. El par se produce para que el motor rompa sus condiciones iniciales de inercia, y pueda comenzar a operar y desarrollar sus condiciones de diseño. Es importante seleccionar el tipo de arranque adecuado, para que el motor pueda desarrollarse convenientemente. Velocidad

En un motor la velocidad se define como la cantidad de vueltas completas que da el rotor en el lapso de un minuto.

Potencia

Al diseñar un sistema mecánico, a menudo hay que tener en cuenta no solo cuanto trabajo ha de ejecutarse, sino también la rapidez con que debe de hacerse, la misma cantidad se realiza al levantar un cuerpo a determinada altura, tanto si tardamos en ello 1 segundo o un año, pero la rapidez con que se efectúa es muy diferente en ambos casos.

Definimos potencia, como la rapidez con que se lleva a cabo un trabajo, por lo que es necesario definir, en la aplicación de un motor la potencia que se le va a demandar.

Sentido de giro Pérdidas y eficiencia

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Aplicación

Tipo de maquinaria impulsada

Condiciones de alimentación

Los motores eléctricos pueden ser alimentados por sistemas de una fase, denominándose motores monofásicos; y si son alimentados por 2 líneas de alimentación, se les nombra motores bifásicos; siendo así que los motores trifásicos son aquellos que se alimentan de tres fases, también conocidos como sistemas polifásicos. Los voltajes empleados más comúnmente son: 127 V, 220 V,

380 V, 440 V, 2 300 V y 6 000 V.

Temperatura Las pérdidas eléctricas y mecánicas en motores eléctricos ocurren con la subsiguiente transformación de pérdidas, en energía térmica, originado el calentamiento de diversas partes de la máquina.

Para asegurar la operación adecuada, el calentamiento de cada una de sus partes necesita garantizar un comportamiento adecuado del sistema aislante de los arrollamientos. Además, la máxima potencia disponible en un motor, se limita por la temperatura máxima permitida para los materiales aislantes empleados.

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CONCLUSIONES Un motor eléctrico es esencialmente una máquina que convierte energía eléctrica en movimiento o trabajo mecánico, a través de medios electromagnéticos, que para funcionar se vale de las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos. Existen básicamente tres tipos de motores eléctricos: motores de corriente directa [C.D.] o corriente continua [C.C.], motores de corriente alterna [C.A.] y universales.

Los Motores de Corriente Alterna [C.A.] son los tipos de motores más usados en la industria. De acuerdo a su alimentación se dividen en tres tipos:

Monofásicos, bifásicos y trifásicos.

La forma más sencilla y eficaz de evitar problemas de corrección de motores, es con su correcta selección e instalación, así mismo ayuda a lograr la máxima eficiencia del motor, y minimiza su deterioro, lo que tienden a garantizar que el equipo se encuentre en óptimas condiciones de operación.

Los motores eléctricos tienen una gran variedad de detalles constructivos, que varían según el fabricante. Deben considerarse siempre las instrucciones y recomendaciones de mantenimiento emitidas por el fabricante de cada motor, teniendo en cuenta las condiciones ambientales de la instalación y las peculiaridades del accionamiento.

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El mantenimiento empieza en la selección del motor. Frecuentemente se hace la selección sin considerar las implicaciones en el servicio y mantenimiento del motor, de lo que resultan consecuencias económicas desfavorables.

Algunas fallas conducen a la presencia de corto circuito, que finalmente se traduce en fallas en los devanados, que se detectan mediante pruebas.

El embobinado de motores es un concepto aplicable a los motores de corriente alterna monofásicos y trifásicos, y va desde el desarmado de los propios motores hasta los cálculos mismos en su caso.

RESUMEN Motores eléctricos: Un motor eléctrico es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de interacciones electromagnéticas. Algunos de los motores eléctricos son reversibles, pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores. Los motores eléctricos de tracción usados en locomotoras realizan a menudo ambas tareas, si se los equipa con frenos regenerativos.

Son

ampliamente

utilizados

en

instalaciones

industriales,

comerciales

y

particulares. Pueden funcionar conectados a una red de suministro eléctrico o a

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baterías. Así, en automóviles se están empezando a utilizar en vehículos híbridos para aprovechar las ventajas de ambos.

Fundamentos de operación de los motores eléctricos

En magnetismo se conoce la existencia de dos polos: polo norte (N) y polo sur (S), que son las regiones donde se concentran las líneas de fuerza de un imán. Un motor para funcionar se vale de las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos. De acuerdo con esto, todo motor tiene que estar formado con polos alternados entre el estator y el rotor, ya que los polos magnéticos iguales se repelen, y polos magnéticos diferentes se atraen, produciendo así el movimiento de rotación. En la figura 1.9 se muestra como se produce el movimiento de rotación en un motor eléctrico.

Un motor eléctrico opera primordialmente en base a dos principios: El de inducción, descubierto por Michael Faraday en 1831; que señala, que si un conductor se mueve a través de un campo magnético o está situado en las proximidades de otro conductor por el que circula una corriente de intensidad variable, se induce una corriente eléctrica en el primer conductor. Y el principio que André Ampére observo en 1820, en el que establece: que si una corriente pasa a través de un conductor situado en el interior de un campo magnético, éste ejerce una fuerza mecánica o f.e.m. (fuerza electromotriz), sobre el conductor.

Principio de funcionamiento

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Los motores de corriente alterna y los de corriente continua se basan en el mismo principio de funcionamiento, el cual establece que si un conductor por el que circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de la acción de un campo magnético, éste tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnético. El conductor tiende a funcionar como un electroimán debido a la corriente eléctrica que circula por el mismo adquiriendo de esta manera propiedades magnéticas, que provocan, debido a la interacción con los polos ubicados en el

estátor, el

movimiento circular que se observa en el rotor del motor.

Partiendo del hecho de que cuando pasa corriente por un conductor produce un campo magnético, además si lo ponemos dentro de la acción de un

campo

magnético potente, el producto de la interacción de ambos campos magnéticos hace que el conductor tienda a desplazarse produciendo así la energía mecánica. Dicha energía es comunicada al exterior mediante un dispositivo llamado flecha.

Ventajas En diversas circunstancias presenta muchas ventajas respecto a los

motores de

combustión:

A igual potencia, su tamaño y peso son más reducidos.

Se pueden construir de cualquier tamaño.

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Tiene un par de giro elevado y, según el tipo de motor, prácticamente constante.

Su rendimiento es muy elevado (típicamente en torno al 75%, aumentando el mismo a medida que se incrementa la potencia de la máquina).

Este tipo de motores no emite contaminantes, aunque en la generación de energía eléctrica de la mayoría de las redes de suministro si emiten contaminantes.

Clasificación general de los motores eléctricos Un motor eléctrico es esencialmente una máquina que convierte energía eléctrica en movimiento o trabajo mecánico, a través de medios electromagnéticos.

Debido a que son muchos y variados los tipos de motores eléctricos, existen numerosas formas de catalogarlos. A continuación se muestran algunas de las formas más usuales:

• Por su alimentación eléctrica.

• Por el número de fases en su alimentación.

• Por su sentido de giro.

• Por su flecha.

• Por su ventilación.

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• Por su carcasa.

• Por la forma de sujeción.

•Por la posición de su flecha.

Clasificación por su alimentación eléctrica

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Clasificación por el número de fases en su alimentación

Clasificación por su sentido de giro

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Clasificación por su flecha

Clasificación por su ventilación

Clasificación por su carcasa

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Clasificación por la forma de sujeción

Clasificación por la posición de su flecha

Motores de corriente continúa Los motores de corriente continua se clasifican según la forma como estén conectados, en:

Motor serie

Motor compound

Motor shunt

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Motor eléctrico sin escobillas

Además de los anteriores, existen otros tipos que son utilizados en electrónica:

Motor paso a paso

Servomotor

Motor sin núcleo

Motores Eléctricos Todos los motores de corriente continua así como los síncronos de corriente alterna incluidos en la clasificación anterior tienen una utilización y unas aplicaciones muy específicas.

Los motores de corriente alterna asíncronos, tanto monofásicos como trifásicos, son los que tienen una aplicación más generalizada gracias a su facilidad de utilización, poco mantenimiento y bajo coste de fabricación. Por ello, tanto en esta unidad como en la siguiente nos centraremos en la constitución, el funcionamiento y la puesta en marcha de los motores asíncronos de inducción.

La velocidad de sincronismo de los motores eléctricos de corriente alterna viene definida por la expresión:

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Dónde: n Número de revoluciones por minuto

f Frecuencia de la red

p Número de pares de polos de la máquina

Se da el nombre de motor asíncrono al motor de corriente alterna cuya parte móvil gira a una velocidad distinta a la de sincronismo.

Aunque a frecuencia industrial la velocidad es fija para un determinado motor, hoy día se recurre a variadores de frecuencia para regular la velocidad de estos motores.

La velocidad de giro de los motores eléctricos suele tener un valor fijo, a no ser que se utilicen variadores electrónicos de frecuencia.

Motores de corriente alterna

El motor eléctrico de corriente alterna basa su funcionamiento en la acción que ejerce el campo magnético giratorio generado en el estátor sobre las corrientes que circulan por los conductores situados sobre el rotor.

Los motores de C.A. se clasifican de la siguiente manera:

Asíncrono o de inducción

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Los motores asíncronos o de inducción son aquellos motores eléctricos en los que el rotor nunca llega a girar en la misma frecuencia con la que lo hace el campo magnético del estator. Cuanto mayor es el par motor mayor es esta diferencia de frecuencias.

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)

Monofásicos Motor de arranque a resistencia. Posee dos bobinas una de arranque y una bobina de trabajo.

Motor de arranque a condensador. Posee un

condensador electrolítico en serie

con la bobina de arranque la cual proporciona más fuerza al momento de la

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marcha y se puede colocar otra en paralelo la cual mejora la reactancia del motor permitiendo que entregue toda la potencia.

Motor de marcha.

Motor de doble condensador. Motor de polos sombreados o polo sombra.

Trifásicos Motor de Inducción.

A tres fases

La mayoría de los motores trifá sicos tienen una carga equilibrada, es decir, consumen lo mismo en las tres fases, ya estén conectados en estrella o en triángulo. Las tensiones en cada fase en este caso son iguales al resultado de dividir la tensión de línea por raíz de tres. Por ejemplo, si la tensión de línea es 380 V, entonces la tensión de cada fase es 220 V.

Rotor Devanado

El rotor devanado o bobinado, como su nombre lo indica, lleva unas bobinas que se conectan a unos anillos deslizantes colocados en el eje; por medio de unas escobillas se conecta el rotor a unas resistencias que se pueden variar hasta poner el rotor en corto circuito al igual que el eje de jaula de ardilla.

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Monofásicos Motor universal

Motor de Inducción-Repulsión.

Motor de fase partida

Motor por reluctancia

Motor de polos sombreados

Trifásico Motor de rotor devanado.

Motor asíncrono Motor síncrono

Síncrono

En este tipo de motores y en condiciones normales, el rotor gira a las mismas revoluciones que lo hace el campo magnético del estator.

Usos

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Los motores eléctricos se utilizan en la gran mayoría de las máquinas modernas. Su reducido tamaño permite introduci r motores potentes en máquinas de pequeño tamaño, por ejemplo taladros o batidoras.

Cambio de sentido de giro

Para efectuar el cambio de sentido de giro de los motores eléctricos de corriente alterna se siguen unos simples pasos tales como:

Para motores monofásicos únicamente es necesario invertir las terminales del devanado de arranque, esto se puede realizar manualmente o con unos relevadores

Para motores trifásicos únicamente es necesario invertir dos de las conexiones de alimentación correspondientes a dos fases de acuerdo a la secuencia de trifases.

Para motores de A.C. es necesario invertir los contactos del par de arranque.

Regulación de velocidad

En los motores asíncronos trifásicos existen dos formas de poder variar la velocidad, una es variando la frecuencia mediante un equipo electrónico especial y la otra es variando la polaridad gracias al diseño del motor. Esto último es posible en los motores de devanado separado, o los motores de conexión Dahlander.

Tipos y características de los Motores Eléctricos.

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Existen básicamente tres tipos de motores eléctricos:

a) Los Motores de Corriente Directa [C.D.] o Corriente Continua [C.C.]. Se utilizan en casos en los que es importante el poder regular continuamente la velocidad del motor, además, se utilizan en aquellos casos en los que es imprescindible utilizar corriente directa, como es el caso de motores accionados por pilas o baterías. Este tipo de motores debe de tener en el rotor y el estator el mismo número de polos y el mismo número de carbones. Los motores de corriente directa pueden ser de tres tipos:

• Serie

• Paralelo

• Mixto

b) Los Motores de Corriente Alterna [C.A.]. Son los tipos de motores más usados en la industria, ya que estos equipos se alimentan con los sistemas de distribución de energías “normales”. De acuerdo a su alimentación se dividen en tres tipos:

• Monofásicos (1 fase)

• Bifásicos (2 fases)

• Trifásicos (3 fases)

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c) Los Motores Universales. Tienen la forma de un motor de corriente continua, la principal diferencia es que está diseñado para funcionar con corriente alterna. El inconveniente de este tipo de motores es su eficiencia, ya que es baja (del orden del 51%), pero como se utilizan en máquinas de pequeña potencia, ésta no se considera importante, además, su operación debe ser intermitente, de lo contrario, éste se quemaría.

Estos motores son utilizados en taladros, aspiradoras, licuadoras, etc.

Partes fundamentales de un motor eléctrico Dentro de las características fundamentales de los motores eléctricos, éstos se hallan formados por varios elementos, sin embargo, las partes principales son: el estator, la carcasa, la base, el rotor, la caja de conexiones, las tapas y los cojinetes [véase figura 1.10]. No obstante, un motor puede funcionar solo con el estator y el rotor.

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Figura 1.10 Partes de un motor de C.A.

Estator El estator es el elemento que opera como base, permitiendo que desde ese punto se lleve a cabo la rotación del motor. El estator no se mueve mecánicamente, pero si magnéticamente. Existen dos tipos de estatores [ver figura 1.12]:

a) Estator de polos salientes

b) Estator rasurado

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Rotor

El rotor es el elemento de transferencia mecánica, ya que de él depende la conversión de energía eléctrica a mecánica. Los rotores, son un conjunto de láminas de acero al silicio que forman un paquete, y pueden ser básicamente de tres tipos [figura 1.13]:

a) Rotor ranurado

b) Rotor de polos salientes

c) Rotor jaula de ardilla

Carcasa La carcasa es la parte que protege y cubre al estator y al rotor, el material empleado para su fabricación depende del tipo de motor, de su diseño y su aplicación. Así pues, la carcasa puede ser:

a) Totalmente cerrada

b) Abierta c) A prueba de goteo

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d) A prueba de explosiones

e) De tipo sumergible

Base La base es el elemento en donde se soporta toda la fuerza mecánica de operación del motor, puede ser de dos tipos:

a) Base frontal

b) Base lateral

Caja de conexiones Por lo general, en la mayoría de los casos los motores eléctricos cuentan con caja de conexiones. La caja de conexiones es un elemento que protege a los conductores que alimentan al motor, resguardándolos de la operación mecánica del mismo, y contra cualquier elemento que pudiera dañarlos.

Tapas Son los elementos que van a sostener en la gran mayoría de los casos a los cojinetes o rodamientos que soportan la acción del rotor.

Cojinetes

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También conocidos como rodamientos, contribuyen a la óptima operación de las partes giratorias del motor. Se utilizan para sostener y fijar ejes mecánicos, y para reducir la fricción, lo que contribuye a lograr que se consuma menos potencia. Los cojinetes pueden dividirse en dos clases generales:

a) Cojinetes de deslizamiento. Operan el base al principio de la película de aceite, esto es, que existe una delgada capa de lubricante entre la barra del eje y la superficie de apoyo.

b) Cojinetes de rodamient o. Se utilizan con preferencia en vez de los cojinetes de deslizamiento por varias razones:

• Tienen un menor coeficiente de fricción, especialmente en el arranque.

• Son compactos en su diseño

• Tienen una alta precisión de operación.

• No se desgastan tanto como los cojinetes de tipo deslizante.

• Se remplazan fácilmente debido a sus tamaños estándares

Motores monofásicos Fueron los primeros motores utilizados en la industria. Cuando este tipo de motores está en operación, desarrolla un campo magnético rotatorio, pero antes de que inicie la rotación, el estator produce un campo estacionario pulsante.

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Para producir un campo rotatorio y un par de arranque, se debe tener un devanado auxiliar desfasado 90° con respecto al devanado principal. Una vez que el motor ha arrancado, el devanado auxiliar se desconecta del circuito.

Debido a que un motor de corriente alterna (C.A.) monofásico tiene dificultades para arrancar, está constituido de dos grupos de devanados: El primer grupo se conoce como el devanado principal o de trabajo, y el segundo, se le conoce como devanado auxiliar o de arranque. Los devanados difieren entre sí, física y eléctricamente. El devanado de trabajo está formado de conductor grueso y tiene más espiras que el devanado de arranque.

Es importante señalar, que el sentido de giro de las bobinas involucra la polaridad magnética correspondiente, como puede verse en la figura 1.18.

Tipos y características Los motores monofásicos han sido perfeccionados a través de los años, a partir del tipo srcinal de repulsión, en varios tipos mejorados, y en la actualidad se conocen:

Motores de fase partida

Motores de arranque con capacitor

Motores con permanente

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Motores de inducción

Motores de polos sombreados

Motores trifásicos Los motores trifásicos usualmente son más utilizados en la industria, ya que en el sistema trifásico se genera un campo magnético rotatorio en tres fases, además de que el sentido de la rotación del campo en un motor trifásico puede cambiarse invirtiendo dos puntas cualesquiera del estator, lo cual desplaza las fases, de manera que el campo magnético gira en dirección opuesta.

Motores asíncronos trifásicos. Tipos y sistemas de arranque Como se ha mencionado antes, los motores asíncronos de inducción son aquellos en los que la velocidad de giro del rotor es algo inferior a la de sincronismo. Los podemos encontrar tanto monofásicos como trifásicos.

Motores trifásicos La constitución y el principio de funcionamiento se han expuesto en los párrafos anteriores.

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Son motores en los que el bobinado inductor colocado en el estátor está formado por tres bobinados independientes desplazados 120º eléctricos entre sí y alimentados por un sistema trifásico de corriente alterna. Los podemos encontrar de dos tipos:

• Rotor en cortocircuito (jaula de ardilla).

• Rotor bobinado.

Tensiones e intensidades en el estátor de los motores trifásicos

Todo bobinado trifásico se puede conectar en estrella (todos los finales conectados en un punto común, alimentando el sistema por los otros extremos libres) o bien en triángulo (conectando el final de cada fase al principio de la fase siguiente, alimentando el sistema por los puntos de unión), como se puede apreciar en la Figura 11.5.

En la conexión estrella, la intensidad que recorre cada fase coincide con la intensidad de línea, mientras que la tensión que se aplica a cada fase es 3 menor que la tensión de línea.

En la conexión triángulo la intensidad que recorre cada fase es 3 menor que la intensidad de línea, mientras que la tensión a la que queda sometida cada fase coincide con la tensión de línea.

Motor de rotor en cortocircuito

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El motor de rotor en cortocircuito es el de construcción más sencilla, de funcionamiento más seguro y de fabricación más económica.

Su único inconveniente es el de absorber una elevada intensidad en el arranque a la tensión de funcionamiento.

Arranque estrella triángulo (λ – Δ)

El procedimiento más empleado para el arranque de motores trifásicos de rotor en cortocircuito con relaciones superio res a la expuesta en la Tabla 11.1 consiste en conectar el motor en estrella durante el periodo de arranque y, una vez lanzado, conectarlo en triángulo para que quede conectado a la tensión nominal.

Para ello, se hace necesario intercalar entre el motor y la línea un conmutador manual especial que realiza las conexiones de los extremos del bobinado del motor, sin realizar los puentes sobre la placa de bornes.

Arranque mediante autotransformador Es un procedimiento que se utiliza para motores de gran potencia y consiste en intercalar entre la red de alimentación y el motor un autotransformador, como se ve de forma esquemática en la Figura 11.13.

Este tiene distintas tomas de tensión reducida, por lo que, en el momento del arranque, al motor se le aplica la tensión menor disminuyendo la intensidad y se • Par motor es el momento de fuerza que un motor el eje de va elevando de forma progresiva hasta dejarlo conectado aejerce la tensión de sobre la red.

transmisión de potencia. • Par de arranque es el que desarrolla el motor para romper la inercia y comenzar a girar. • Par nominal es el que produce el motor 95 para desarrollar sus condiciones de trabajo.


Arranque con resistencias en serie con el bobinado del estátor Es un procedimiento poco empleado que consiste en disponer un reóstato variable en serie con el bobinado estatórico. La puesta en marcha se hace con el reóstato al máximo de resistencia y se va disminuyendo hasta que el motor queda conectado a la tensión de red.

Motor de rotor bobinado y anillos rozantes En este tipo de motores, el rotor va ranurado igual que el estátor, y en él se coloca un bobinado normalmente trifásico similar al del estátor conectado en estrella y los extremos libres se conectan a tres anillos de cobre, aislados y solidarios con el eje del rotor.

Motor universal, constitución y principio de funcionamiento Es un motor monofásico que puede funcionar tanto en corriente continua como alterna.

Su constitución es esencialmente la del motor serie de corriente continua, y sus características de funcionamiento son análogas.

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Protección de los motores eléctricos La protección de motores es una función esencial para asegurar la continuidad del funcionamiento de las máquinas. La elección de los dispositivos de protección debe hacerse con sumo cuidado.

Los fallos en los motores eléctricos pueden ser, como en todas las instalaciones, los derivados de cortocircuitos, sobrecargas y los contactos indirectos. Los más habituales suelen ser las sobrecargas, que se manifiestan a través de un aumento de la intensidad absorbida por el motor, así como por el aumento de la temperatura de este.

Cada vez que se sobrepasa la temperatura normal de funcionamiento, los aislamientos se desgastan prematuramente. Los efectos negativos no son inmediatos, con lo que el motor sigue funcionando aunque a la larga estos efectos pueden provocar las averías antes expuestas.

Medidas eléctricas en las instalaciones de motores eléctricos En las instalaciones encargadas de alimentar motores eléctricos, es necesario el control y la medida de algunas magnitudes eléctricas para garantizar el buen funcionamiento de estas, y en caso de avería, poder localizarlas.

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Las más frecuentes durante el funcionamiento suelen ser las medidas de intensidad, tensión, frecuencia y potencia, mientras que para localizar averías, suelen ser las de continuidad de los bobinados y la de resistencia de aislamientos.

SELECCIÓN DE UN MOTOR ELECTRICO Selección de un motor eléctrico

En las instalaciones de motores eléctricos es conveniente visualizar la medida de la intensidad absorbida para evitar averías.

Es importante hacer una buena selección de un motor eléctrico, ya que de ello dependerá la oportunidad de obtener la mayor vida útil del equipo, y una máxima eficiencia, lo que retribuirá directamente a evitar posibles descomposturas o fallas.

Fundamentos de selección de un motor eléctrico

La selección de un motor depende primordialmente de tres aspectos: a) La instalación

b) La operación

c) El mantenimiento

Los pasos a seguir para una adecuada selección de un motor eléctrico son:

1) La determinación de la fuente de alimentación

2) La potencia nominal

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3) La velocidad de rotación

4) El ciclo de trabajo (continuo o intermitente)

5) El tipo de motor

6) El tipo de carcasa

Así mismo, debemos considerar las condiciones ambientales de instalación, y algunas características como el acoplamiento de la carga, los accesorios, y las modificaciones mecánicas necesarias.

También es importante considerar en la selección de un motor eléctrico, las condiciones de servicio, siendo las más importantes:

a) Exposición a una temperatura ambiente b) Instalación en partes o alojamientos completamente cerrados o abiertos, buscando una buena ventilación del motor.

c) Operación dentro de la tolerancia de +10% y -10% del voltaje nominal

d) Una operación dentro del valor de frecuencia del +5% y -5%

e) Operación dentro de una oscilación de voltaje del 1% o menos

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CUESTIONARIO ¿Qué es un Motor Eléctrico? Un motor eléctrico es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de interacciones electromagnéticas.

En magnetismo se conoce la existencia de dos polos: polo norte (N) y polo sur (S), que son las regiones donde se concentran las líneas de fuerza de un imán.

Verdadero

Falso

Los motores de corriente alterna y los de corriente continua se basan en el mismo principio de funcionamiento Un motor eléctrico es esencialmente una máquina que convierte el trabajo mecánico en energía eléctrica. Los Motores Universales tienen la forma de un motor de corriente continua, la principal diferencia es que está diseñado para funcionar con corriente alterna. Los motores monofásicos fueron los primeros motores utilizados en la industria.

Menciona las partes fundamentales de un motor.

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R= Estator Rotor Carcasa Base Caja de conexiones Tapas Cojinetes Motores monofásicos

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Relaciona las columnas según correspondan.

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REFERENCIAS

http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9ctrico http://www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/capitulo/8448173104.pdf http://es.scribd.com/doc/2448049/Manual-de-motores-electricos

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2.- INFORME DE OCTUBRE MOTORES ELÉCTRICOS ESPECIALES

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