1 EL MOTOR ELÉCTRICO (I)

Contenidos 1. El motor trifásico. Fundamentos 2. Constitución del motor trifásico 3. Par motor y par resistente. Velocidad 4. Intensidades de corriente de un motor trifásico 5. Potencia y rendimiento de un motor trifásico

Competencias básicas •• Describir la estructura de un motor trifásico. •• Conocer los conceptos de par motor y par resistente y cuantificar su valor para diversas potencias útiles •• Interpretar las gráficas par/velocidad. •• Evaluar la velocidad de un motor y su variación a diversos grados de carga. •• Escoger la conexión adecuada de un motor trifásico en función de su tensión nominal y de la tensión de red. •• Reconocer los diversos puntos de trabajo de un motor trifásico a partir de las gráficas par/intensidad/ velocidad. •• Calcular el rendimiento de un motor para cualquier grado de carga.

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Unidad 1. El motor eléctrico (I)

1. El motor trifásico. Fundamentos Actualmente, la práctica totalidad de las máquinas industriales, así como las del sector de la elevación y el transporte, están accionadas por motores trifásicos (figura 1).

Fig. 1. Motores trifásicos.

De entre sus características ventajosas destacamos las siguientes: •• Robustez y práctica ausencia de mantenimiento •• Buena relación potencia-peso (kW/kg) •• Posibilidad de regulación de velocidad con los actuales equipos variadores •• Bajo precio Su funcionamiento se basa en la acción motriz que ejerce un campo magnético giratorio sobre un bloque rotativo. Tres devanados fijos instalados eléctricamente a 120° entre sí y alimentados por un sistema trifásico de tensiones producen un campo giratorio. Este campo electromagnético giratorio tiene un valor constante y su velocidad de giro (o velocidad de sincronismo) depende de la disposición y las características constructivas de los devanados, así como de la frecuencia de la tensión alterna aplicada (esquematizamos esta disposición en la figura 2). La parte fija, donde se alojan los devanados, recibe el nombre de estator, mientras que la parte giratoria se conoce con el nombre de rotor.

L1 L2 L3

W2 W1

U1 U2

Estator

V1 V2

Rotor Fig. 2. Representación esquemática de un motor trifásico.

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Todo motor trifásico tiene una velocidad de sincronismo (ns) a la que el rotor puede aproximarse, pero nunca alcanzar (de ahí que los motores trifásicos también se conozcan como motores asíncronos trifásicos). Esta velocidad tiene la expresión 60 · f ns = r.p.m. p donde f es la frecuencia, en hercios (Hz), de la tensión aplicada y p es el número de pares de polos del estator. El número mínimo de pares de polos es 1 (dos polos). Se trata, entonces, de un motor bipolar, al que corresponde la máxima velocidad de sincronismo de un motor trifásico: ns =

60 · 50 3.000 r.p.m. (a 50 Hz) 1

ns =

60 · 60 3.600 r.p.m. (a 60 Hz) 1

El motor trifásico más usual es el de cuatro polos, al que corresponde una velocidad de sincronismo de 1.500 r.p.m. a 50 Hz.

¿Sabías que? El límite de velocidad de cualquier motor trifásico es de 3.000 r.p.m. La razón es simple: la velocidad de sincronismo se obtiene de la relación ns = 60p· f r.p.m. En el entorno tecnológico europeo, la frecuencia de distribución es de 50 Hz. Por otro lado, el número mínimo de polos de un motor trifásico es de 2 (p = 1). Teniendo en cuenta todo ello, si aplicamos la fórmula, resultan las 3.000 r.p.m. citadas. En los Estados Unidos, donde la frecuencia es de 60 Hz, ese motor bipolar tendría una velocidad límite de 3.600 r.p.m. Así, vemos que: a mayor número de pares de polos, menor velocidad.

2. Constitución del motor trifásico Muy esquemáticamente, podemos decir que un motor asíncrono trifásico consta de una parte fija (estator) y una parte giratoria (rotor). El estator es un anillo cilíndrico compuesto por chapas metálicas prensadas y ajustadas a presión en la carcasa del motor. En su superficie externa se disponen las ranuras en las que se alojan los conductores de los devanados. El rotor se dispone de modo que pueda girar alrededor del mismo eje que el estator. Consiste en un cilindro formado también por chapas magnéticas prensadas, con ranuras en su periferia. En estas ranuras se introducen los conductores que constituyen el devanado rotórico. El circuito eléctrico de este motor (figura 3) consta, entonces, de tres devanados estatóricos (U, V y W) que se conectan a la red, con lo que se crea el campo giratorio. Este campo giratorio induce en los devanados rotóricos unas corrientes que, merced a las fuerzas electrodinámicas resultantes, provocan el giro. Los tres devanados rotóricos tienen un punto interno común, o punto estrella, resultante de unir uno de los extremos de los tres devanados. Los tres extremos restantes forman las bornas (K, L y M), accesibles desde el exterior. estator

Para saber más

ranuras estatóricas ranuras rotóricas

rotor

Si alimentas un motor trifásico a una tensión y una frecuencia de valores diferentes a sus nominales, pero conservando la relación U/f, su par motor no cambia.

U1 V1 W1

K

L

U2 V2 W2 entrehierro

ESTATOR

ROTOR

M

En cambio, su potencia útil y su velocidad se obtienen de las nominales, pero multiplicadas por la relación de frecuencias f’/f. Por ejemplo, un motor trifásico de 400 V y 50 Hz no varía su par si lo alimentamos a 440 V y 55 Hz. En cambio, la potencia útil y la velocidad aumentan en la relación 55/50 = 1,1 (es decir, un 10%).

Fig. 3. Circuito eléctrico de un motor trifásico.

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¿Sabías que? El ruso Michail von Dolivo-Dobrowolski, técnico de AEG en Berlín, diseñó en el año 1889 el primer motor asíncrono trifásico utilizable. Fue él quien demostró que con alimentación trifásica podían conseguirse los mejores rendimientos en los motores.

Los devanados estatóricos se conectan a un sistema trifásico de tensiones, de modo que cada uno de ellos reciba entre sus bornas la tensión nominal para la que ha sido diseñado. En la mayoría de los motores trifásicos de baja tensión, esa tensión tiene un valor de 230 o 400 voltios. Un motor de 230 voltios de tensión nominal puede trabajar a esta tensión de dos modos diferentes: •• En conexión en triángulo, alimentado por una red trifásica de 230 voltios de tensión nominal (figura 4). •• En conexión en estrella, alimentado por una red trifásica de 400 voltios de tensión nominal (figura 5).

L1 L2 L3

3 x 230 V U1

V1

L1 L2 L3

W1

3 x 400 V U1

V1

W1

U2

V2

W2

U1

U1-W2

Su primer motor experimental tenía una potencia de 1/8 CV; arrancaba perfectamente y sin apenas ruidos. Tras vencer muchos problemas en el diseño de motores mayores, ya en 1891 pudo disponer AEG de un tipo de motor trifásico de 100 CV y 600 r.p.m. Estos motores eran de rotor bobinado con escobillas, lo cual nunca fue del agrado del inventor. Finalmente, en una posterior exposición en Chicago, presentó una serie de motores de rotor en cortocircuito, uno de ellos de 50 CV.

230 V

230 V U2

V2

W2 U2-V1

V2-W1

Fig. 4. Conexión en triángulo del estator.

U2-V2-W2

W1

V1

Fig. 5. Conexión en estrella del estator.

Por este motivo, encontramos dos valores de tensión en las placas de características de los motores trifásicos. Por ejemplo, “230/400 V”, “240/415 V”, “400/690 V”... La de mayor valor es siempre √3 veces mayor que la otra. No debemos olvidar, sin embargo, que la de menor valor es la verdadera tensión nominal. Para realizar fácilmente una u otra conexión, se sitúan los seis bornes de los devanados en la posición alternada de su correspondiente caja, como se indica en la figura 6. De este modo, con unas simples pletinas se realizan los puentes necesarios para una u otra conexión. L1



U1

W2

3 x 230 V L2





L3

L1

V1



W1

U2



V2

Triángulo



3 x 400 V L2

U1 W2



V1 U2

L3



W1 V2

Estrella

Fig. 6. Conexión en la caja de bornas de un motor trifásico.

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Dado que la tensión trifásica en baja tensión tiene el valor nominal preferente de 400 voltios, la conexión definitiva de los motores a las redes de esta tensión será en estrella para los motores de 230/400 V y en triángulo para los de 400/690 V. Respecto a los devanados rotóricos, los tres extremos independientes se acoplan a sus correspondientes anillos colectores. Apoyando una escobilla en cada uno de ellos obtenemos las tres bornas fijas y accesibles K, L y M (figura 7).

K L M

Fig. 7. Rotor con devanados. Sus conexiones.

Para que circulen corrientes por sus devanados y el conjunto gire, es preciso que esas tres bornas tengan un punto común y así se cierre el circuito. Ese punto puede obtenerse directamente o bien a través de resistencias externas al motor (figura 8).

3 × R1

Velocidad y arranque nominales

3 × R2

Velocidad y arranque amortiguados

Fig. 8. Conexiones rotóricas de un motor trifásico.

En la figura 9 podemos ver un rotor devanado extraído de su alojamiento. Se observan los anillos colectores y las escobillas con las que hacen contacto.

Fig. 9. Rotor bobinado y escobillas de un motor trifásico.

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