Bloque II: 5- Motores de corriente alterna ( Motores trifásicos )

1.- Introducción: Corriente alterna y red trifásicaSe denomina corriente alterna a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente. La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una onda senoidal.

En ingeniería eléctrica un sistema trifásico es un sistema de producción, distribución y consumo de energía eléctrica formado por tres corrientes alternas monofásicas de igual frecuencia y amplitud que presentan una cierta diferencia de fase entre ellas (120°). Cada una de las corrientes monofásicas que forman el sistema se designa con el nombre de fase. (R, S, T)

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2. Constitución de los motores de corriente alterna

• Rotor: parte móvil del motor. Formado por chapas magnéticas aisladas y ranuradas exteriormente. En su devanado existen dos posibilidades:

Rotor de “jaula de ardilla”: barras de cobre o aluminio inyectadas en las ranuras y unidas por ambos extremo (motor trifásico en cortocircuito)

Rotor bobinado: devanado trifásico similar al del estator (motor de rotor bobinado). Los devanados del rotor están conectados a anillos colectores montados sobre el mismo eje.

• Estator: parte fija del motor. Formado por chapas magnéticas aisladas y ranuradas interiormente que están unidas en una corona. Sobre las chapas hay arrollados tres devanados iguales desfasados 2π/ 3p, siendo p el número de pares de polos. Los devanados se encuentran conectadas a la placa de bornes que se conecta a la red de alimentación.

• Entrehierro: Separación entre estator y rotor

http://www.youtube.com/watch?v=Lv9_04UlV4s

http://www.youtube.com/watch?v=x6_iN4Pj1-A

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3.- Funcionamiento del motor asíncrono de corriente alternaEl motor se conecta a la red de alimentación alterna a través de la placa de bornes. La corriente eléctrica alterna crea un campo magnético giratorio en el estator. Este campo magnético induce unas corrientes eléctricas en el rotor. Como hay corriente eléctrica en el interior de un campo magnético se crea un par de fuerzas (M) que hará girar al rotor del motorhttp://www.youtube.com/watch?v=ZRGlAu0uCHY

4.- Magnitudes fundamentales de los motores de c.a. 4.1.- Par motorLa expresión que toma el par motor en un motor de corriente alterna trifásico es:

M = K . Φ. I1 cos φ

Φ = flujo magnético (Wb)

I1 = Intensidad de corriente en el rotor (A)φ = ángulo que forman las tensiones y la intensidad de corriente en el rotor

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4.2.- Velocidad de sincronismo ns

El campo magnético resultante gira a una frecuencia de (f) vueltas por segundo. Si la máquina tiene (p) pares de polos, la velocidad, expresada en revoluciones por minuto, sería

ns = 60 . f / p

ns = velocidad de sincronismo (r.p.m)f = frecuencia (Hz)p = número de pares de polos

En función de esta velocidad los motores de corriente alterna se dividen en:• Motores síncronos: el rotor gira a la velocidad de sincronismo. Este

motor tiene la característica de que su velocidad de giro es directamente proporcional a la frecuencia de la red de corriente alterna que lo alimenta. Estos motores requieren ser llevados a la velocidad de sincronismo mediante un motor o dispositivo auxiliar. Una vez que el rotor gira a esa velocidad, el funcionamiento se hace normal, la acción de repulsión entre el estator y el rotor suministra la fuerza necesaria para que el giro continúe y solo se detendrá si se corta la corriente del rotor, del estator, o de la si la fuerza a vencer es mayor que la que puede suministrar el motor, en cuyo caso se dice que el mismo desengancha, debiéndose hacer arrancar nuevamente si se quiere que siga funcionando.En la práctica el arranque se consigue con un motor auxiliar de potencia reducida o dotando al motor de un arrollamiento especial para que arranque como asincrónico.El motor síncrono es utilizado en aquellos casos en que los que se desea velocidad constante. En nuestro medio sus aplicaciones son mínimas y casi siempre están en relacionadas con sistemas de regulación y control mas no con la transmisión de potencias elevadas.

• Motores asíncrono: el rotor gira a una velocidad menor que la velocidad de sincronismo.En este caso el rotor seguirá el giro del campo magnético, pero a una velocidad menor denominada n2. A la diferencia de velocidades del campo y del rotor se le llama deslizamiento absoluto (d)

d = ns – n2

Si esta diferencia de velocidades se expresa en función del la velocidad del campo magnético, se obtiene el deslizamiento relativo (S)

S = (ns – n2)/ ns

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Símil del motor asíncrono y síncrono

Animación sobre la velocidad de sincronismo en el campo magnético y velocidad asíncrona en el rotor:http://www.tuveras.com/maquinaasincrona/animacionasincrono/motorasincrono.html

5.- Tensiones e intensidades de líneas o fases Una línea trifásica consta de fases denominadas R, S, T. Dichas fases están desfasadas entre sí 120º. Conforme a estas tres fases se define los siguientes conceptos:

• Intensidad de línea: intensidad que circula por los conductores de la red trifásica

• Intensidad de fase: intensidad que circula por cada bobina del motor• Tensión de línea: diferencia de potencial o voltaje entre dos

conductores de la red trifásica• Tensión de fase: diferencia de potencial o voltaje entre dos extremos de

cada bobina del motor

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6.- ConexionesEn los sistemas trifásicos hay dos tipos de conexiones para las bobinas de los motores: la conexión en estrella y la conexión en triángulo.

6.1.- Conexión en estrella

En la conexión en estrella se cumple:

6.2.- Conexión en triángulo

En la conexión en triángulo se cumple:

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6.3.- BornesLos tres devanados del estator, sus principios y finales, se llevan a una caja de bornes en la que se realizarán las conexiones.

Conforme se conecten las chapas metálicas de conexión, el motor se conectará en estrella o en triangulo

El motor lleva en la placa de características dos tensiones (p.e. 230/400 V). El menor valor corresponde con el valor de fase.

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7.- Balance de potenciaAl conectar un motor a la red, éste absorbe una potencia activa y una potencia reactiva.

7.1.- Potencia activa (absorbida)Es la potencia que representa la capacidad de un circuito para realizar un proceso de transformación de la energía eléctrica en trabajo. Se mide en watios (W) y se designa con la letra P.

7.2.- Potencia reactiva (absorbida)Esta potencia no tiene tampoco el carácter realmente de ser consumida y sólo aparecerá cuando existan bobinas o condensadores en los circuitos. La potencia reactiva tiene un valor medio nulo, por lo que no produce trabajo. Se mide en voltiamperios reactivos (VAR) y se designa con la letra Q.

7.3.- Potencia aparenteEs la potencia total absorbida por el motor. Resulta de la suma vectorial de la potencia activa más la potencia reactiva. Se mide en voltiamperios (VA) y se designa con la letra S.

7.4.- Factor de potenciaEl factor de potencia o cosφ indica la cantidad de potencia absorbida (S) que se convierte en activa (P)

cosφ = P / S

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P = S . cos φ

Q = S. sen φ

8.- Rendimiento Si hablamos de potencia activa, el motor absorbe una potencia P. Los motores de c.a., al igual que los de c.c., tienen las siguientes pérdidas:

• Pérdidas en el cobre:o En los conductores del estator: Pcu1 = 3. R1. (I1)2 (W)o En los conductores del rotor: Pcu2 = 3. R2. (I2)2 (W)

• Pérdidas en el hierro (PFe) debidas al ciclo de histéresis y alas pérdidas por corrientes de Foucault

• Pérdidas mecánicas (Pm) debidas al giro del rotor

La relación entre la potencia activa absorbida (P) y la potencia útil determina el rendimiento del motor

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9.- Arranque del motorAl conectar los motores a la red, éstos absorben una intensidad de corriente muy elevada, lo que puede producir anomalías en las redes de distribución de energía eléctrica.

Los motores de más de 0,75 kW están provistos de dispositivos de arranque, de forma que no permitan que la relación de la corriente de arranque a la nominal sea superior a un valor determinado, que está en función de la potencia del motor.

Los procedimientos que se utilizan en el arranque se clasifican según el tipo de motor, es decir, si el motor es de rotor de jaula de ardilla o es de rotor bobinado.

9.1.- Arranque de motores de rotor de jaula de ardillaA) Arranque directoLas bobinas del estator se conectan directamente a la red de alimentación. Pueden darse distorsiones en la red debido a que la intensidad de arranque es del orden de 3 a 8 veces la intensidad nominal, mientras que el par de arranque es de 1 a 1,5 veces el par nominal. Sólo es válido para motores de poco potenciahttp://www.tuveras.com/maquinaasincrona/arranquedirecto/arranque.html

B) Arranque basados en disminuir la tensión de alimentaciónCon el fin de limitar la intensidad y el par en el arranque, se disminuye la tensión de alimentación. En todos estos sistemas la intensidad se reduce en la misma relación que la tensión y el par en relación cuadrática

I = K. UM = K1 .U2

B.1) Arranque estrella-triánguloSe basa en la relación que existe entre la tensión de línea y la tensión de fase. En el momento de establecer la conexión del motor a la red, se realiza en él la conexión estrella por lo que el devanado del motor queda sometido a una tensión

Cuando el motor alcanza una cierta velocidad de giro, se conecta en triángulo pasando a aplicarle al motor la tensión de línea

http://www.tuveras.com/maquinaasincrona/arranqueestretria/arranqueyt.htmlhttp://www.youtube.com/watch?v=GZmqmzC2gB4

B.2) Arranque por autotransformadorSe utiliza un autotransformador para reducir la tensión en el momento del arranque. A medida que el motor acelera se aplica más tensiónhttp://www.tuveras.com/maquinaasincrona/arranqueautotrafo/arranqueautotrafo.html

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B.3) Arranque por resistencias estatóricasCosiste en intercalar en cada fase del motor una resistencia que se reduce a medida que el motor adquiere velocidadhttp://www.tuveras.com/maquinaasincrona/arranqueestator/arranqueestator.html

B.4) Arranque electrónicoMediante el uso de componentes electrónicos de potencia como los tiristores.

9.2.- Arranque de motores de rotor bobinadoLos motores de rotor bobinado se arrancan intercalando varios grupos de resistencia en el circuito del rotor, de forma que el motor arranca con toda la resistencia intercalada. A medida que el motor adquiere velocidad se eliminan grupos de resistencia hasta que alcanza la velocidad nominal.

10.- Regulación de la velocidadSe puede variar la velocidad del motor actuando sobre alguna de las variables de las que depende

• Variando la velocidad de sincronismo, esto es, modificando el número de pares de polos y cambiando la frecuencia.

• Modificando el deslizamiento, cambiando la tensión aplicada al motor

11.- Frenado del motor Frenado regenerativo. Se emplea en aplicaciones de montacargas y grúas para limitar la velocidad de descenso. Consiste en que el motor pasa a trabajar como generador.Frenado dinámico. Consiste en desconectar el motor de la red y aplicarle una corriente continua al devanado del estator. Esto produce un par opuesto al del giro que hace que el motor frene.

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Bloque II: 6- Motores de corriente alterna ( Motores monofásicos )

12. Constitución de los motores monofásicosEn muchas aplicaciones industriales no se pueden utilizar los motores trifásicos, pues el suministro de energía eléctrica es monofásico. Por ello, se necesitan motores monofásicos.

Se caracterizan porque en el estator existen dos devanados:• El devanado principal o de trabajo• El devanado auxiliar o de arranque. Se encuentra desfasado 90º

eléctricos con respecto al devanado principal. Gracias a este desfase entre devanados se produce un campo magnético giratorio que provoca el arranque del motor.

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Recapitulación

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