MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS MOTORES DE CORRIENTE CONTÍNUA

Campo magnético producido por un conductor rectilíneo

Disponemos de una cartulina atravesada por un conductor rectilíneo. En la misma se espolvorean limaduras de hierro. Conectamos el conductor a una fuente de alimentación, observando al activar el interruptor que parte de las limaduras de Fe son atraídos por el conductor, formando círculos concéntricos a él. Esta experiencia demuestra que al pasar corriente por un conductor, éste crea un campo magnético circular.

Si aumentamos el valor de la corriente que atraviesa al conductor, se observan que limaduras de hierro que antes no eran atraídas, ahora sí lo son, lo que nos induce a pensar que: El campo magnético es directamente proporcional a la corriente que lo provoca.

Si cambiamos en la cartulina las limaduras de Fe por agujas imantadas que puedan girar libremente alrededor de su eje, se observa que, mientras no pase corriente por el conductor, todas las agujas estarán orientadas hacia el Norte-Sur de la Tierra. Al pasar corriente por el conductor, se observa que las agujas cambian de posición, demostrándose de nuevo que una corriente provoca un campo magnético. Si unimos las puntas de todas las agujas, observaremos nuevamente que se forman círculos.

Si cambiamos el sentido de la corriente que atraviesa el conductor, se observará que las agujas girarán 180º alrededor de su eje, esto quiere decir que el campo magnético ha cambiado de polaridad.

Podemos concluir por tanto: 1) Una corriente crea un campo magnético. 2) El valor del campo magnético es directamente proporcional a la corriente que lo provoca. 3) El campo magnético de un conductor rectilíneo es circular. 4) La polaridad del campo magnético puede ser cambiada invirtiendo el sentido de la corriente que atraviesa el conductor.

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Líneas de fuerza Para estudiar los campos magnéticos utilizamos unos elementos imaginarios que constituyen la totalidad del campo magnético. A esos elementos se les denomina líneas de fuerza.

El campo magnético, por tanto, se definiría como número total de líneas de fuerzas producidas por el conductor. Su símbolo es (Φ) o flujo magnético y su unidad es el Weber (SI) y el maxwelio (CGS).

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Inducción magnética Es el número de líneas de fuerza que circulan por unidad de superficie. Se representa por (β), siendo su valor y su unidad es el Tesla (T) en el (S.I.), siendo el φ=Weber y la superficie S=m². En el sistema c.g.s., la unidad es el Gauss (G), siendo el φ=Maxwelios y la superficie S=cm².

β=

φ S

Movimiento de un conductor rectilíneo sometido a un campo magnético Si disponemos de un par de polos N-S e introducimos en su interior un conductor rectilíneo, observamos que al pasar corriente por este conductor, se produce un movimiento en el mismo, debido a los desequilibrios del campo magnético producidos (ver figura).

La fuerza aplicada al conductor es directamente proporcional a la inducción magnética (β), a la longitud del conductor (L) y a la intensidad que recorre el mismo (I) ofreciéndonos la siguiente expresión que los relaciona:

F = β .L.I .senα

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Puede observarse cambiando la polaridad del par de polos (inductor) o bien cambiando el sentido de la corriente que atraviesa el conductor, que el movimiento cambia de sentido. Sin embargo no lo hace si cambiamos a la vez las dos polaridades.

Para determinar el sentido del movimiento del conductor se utiliza la regla de los tres dedos de la mano izquierda, en la que el pulgar nos indica el sentido del movimiento, cuando situamos el dedo índice en el sentido del campo magnético del conductor y el dedo corazón en el sentido de la corriente que atraviesa el conductor. ( regla nemotécnica: MOCACO). MO= Movimiento del conductor. CA= Sentido del campo magnético. CO= Sentido de la corriente por el conductor.

Movimiento de un conductor de forma rotatoria: motor de corriente continua Disponemos de un campo magnético producido por un par de polos (inductor) y situamos un conductor con forma circular (espira) en su interior. Si conectamos esta espira a una fuente continua de tensión, circulará una corriente eléctrica por ella (ver figura).Esta corriente eléctrica produce un campo magnético en las dos semiespiras con un sentido determinado por la regla del sacacorchos, observándose que se produce un desequilibrio de campos magnéticos en las dos semiespiras, de tal forma que se ejercen dos fuerzas iguales pero de sentido contrario en cada parte de la espira, provocando en ésta un movimiento de rotación.

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El valor del momento o par que desarrolla la espira tiene el valor de :

M = F.r = β .L.I .senα .r = Newton.metro Para aumentar el momento y conseguir que el motor ejerza una elevada fuerza se procede a aumentar la longitud de la espira. Si

L ↑⇒ M ↑

La forma de aumentar la longitud sin que el volumen se vea incrementado considerablemente consiste en generar una gran cantidad de espiras formando lo que se llama una bobina.

Si deseamos aumentar el campo magnético que provoca una corriente al atravesar una bobina, debemos facilitar el camino del campo magnético, arrollando la bobina sobre un núcleo de hierro. Esta característica del hierro se llama coeficiente de permeabilidad magnética (µ).

Para alimentar de tensión la espira o bobina se debe utilizar el sistema: colector de delgas-escobillas, ya que al girar la espira hay que introducirle la tensión mediante un sistema a presión, siendo el elemento utilizado, las escobillas (de grafito), que se encuentran presionando mediante un muelle al colector de delgas. Este colector es el que se encuentra conectado a la espira, siendo de cobre, estando separado por un aislante la polaridad positiva de la negativa. Reversibilidad de un motor de corriente continúa. Dinamo Producción de fuerza electromotriz en un conductor. Se comprueba de forma experimental que un conductor que esté sometido a una variación de campo magnético o a un corte de líneas de fuerza se induce en él una fuerza electromotriz (E) (f.e.m.)

La f.e.m. (E), se produce por tanto por una variación de campo magnético (∆Φ) en un tiempo determinado (∆t), es decir:

E=

∆Φ β .∂s β .L.∂e ∂e = = = ∂v = = β .L.v = voltios ∆t ∆t ∂t ∂t

Si este conductor es una espira o bobinado que se encuentra dentro de un campo magnético; al girar en su interior, provoca en sus extremos una fuerza electromotriz debido al corte de líneas de fuerza. Si los extremos de la espira se conectan a un colector de delgas, la fuerza electromotriz obtenida es una fuente de continua con polaridad positiva y negativa, obteniéndose de esta forma un generador de energía eléctrica llamado dinamo.

DINAMO

MOTOR C.C.

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Si los extremos de las espiras se conectan a unos anillos rozantes, la fuerza electromotriz obtenida es alterna, siendo esta máquina un alternador.

Velocidad de marcha: Número de revoluciones que tiene una máquina

La expresión que determina la velocidad o número de revoluciones (nº de vueltas) de una máquina giratoria, será:

n = K.

Vb − R t .I φ

Siendo: n= Nº de revoluciones por minuto.(rpm). K= Constante que depende de cada máquina. Vb= Tensión aplicada a la máquina (Tensión en bornas). Rt= Resistencia total que opone la máquina al movimiento. I = Intensidad de corriente que consume la máquina. Φ= Flujo magnético. Intensidad consumida por un motor: La intensidad nominal (normal) que consume un motor (In), viene dada por la ley general de Ohm.

In =

∑V ∑Z

=

Vb − E Zt

Donde: Vb =Es la tensión aplicada a las bornas del motor, en voltios. E= Fuerza electromotriz provocada por el motor al girar y cortar líneas de fuerza ( fuerza contraelectromotriz) Zt = Impedancia del motor. Fuerza ejercida por un motor.- Momento o Par. La fuerza que un motor realiza al ser alimentado por una tensión, será:

F = β .L.I

Su demostración es la siguiente: La potencia que desarrolla una máquina giratoria es: P = F.v Donde: P= Potencia. F= Fuerza. v= velocidad. E= Fuerza electromotriz. La potencia eléctrica consumida, será: P = E.I Las dos potencias deben ser iguales, por lo que:

F.v = E.I ⇒ F =

E.I β .L.v.I = E = β .L.v = = β .L.I v v

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Donde queda demostrada la expresión indicada anteriormente:

F = β .L.I

El momento o par desarrollado, es la fuerza realizada por la distancia desde el eje al elemento que recibe la fuerza:

M = F.r = β .L.I.r = β =

L.r φ φ = .L.I.r = K = = K.φ .I s s s

M= Momento o par (C). r= Distancia desde el eje al punto de aplicación. S= Superficie. K= Constante de la máquina.

Par de arranque de los motores. Los motores en el arranque consumen una elevada corriente y realizan una elevada fuerza o par. Esto es debido a lo siguiente: El par en el arranque será: Ma = C a = K.φ .Ia ⇒ si, Ia ↑↑↑⇒ Ma ↑↑↑ Es decir, si la corriente en el arranque es elevada, el par de arranque es elevado. Se demuestra que la intensidad en el arranque es elevada, según la siguiente expresión:

In =

Vb − E Rt

En el arranque la velocidad del rotor es nula, por lo que no se cortan líneas de fuerza, siendo la fuerza contraelectromotriz de valor nulo, E=0, esto quiere decir que la corriente en el arranque, será:

In =

Vb − E Rt

Si E=0,

Ia =

Vb − 0 Vb = Rt Rt

Por lo que el numerador aumenta considerablemente en el arranque, siendo por tanto

Ia >>> In

Tipos de motores de corriente continua: Introducción Un motor de corriente continua está formado en esencia de un elemento inductor y un inducido. El inductor, también llamado estator (por permanecer quieto), está compuesto de un núcleo de hierro que lleva arrollado un bobinado, que, al conectarse a tensión de red, produce un campo magnético permanente.

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El valor de este campo magnético es:

φ = β .s = µ.H .s = H =

N .I N .I = µ. .s L L

Donde: µ= coeficiente de permeabilidad magnética, (valor mayor de 1), que depende de la calidad del núcleo de hierro. N= Número de espiras que componen los bobinados. I=

Intensidad de corriente que circula por el bobinado.

L=

Longitud de la bobina.

S= Superficie del electroimán.

El inducido, es la parte móvil del motor, llamado, por tanto, rotor, también está formado por un núcleo de hierro en forma de cilindro ranurado, de tal forma que en dichas ranuras se alojan los bobinados del inducido, conectadas a unos elementos de cobre en forma de sector circular, llamadas delgas, el conjunto de ellas se llama colector de delgas, de tal forma que por ellas recibe tensión el bobinado inducido, mediante unos elementos de grafito llamados escobillas, que se encuentran en contacto con el colector de delgas, mediante un muelle que las mantienen a presión en contacto con el colector. Estas escobillas, se desgastan y deben sustituirse periódicamente.

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Como hemos indicado anteriormente, en un motor de continua, los circuitos eléctricos que nos encontramos son dos: el bobinado del inductor(estator) y el bobinado del inducido(rotor). Dependiendo como conectemos estos bobinados entre sí, obtendremos tres tipos diferentes de motores: •

Motor serie.

•

Motor paralelo, derivación o shunt.

•

Motor mixto, compuesto o compound.

Motor serie: Un motor de corriente continua es serie, cuando los bobinados inductor e inducido se conectan en serie.

Motor paralelo, derivación o shunt: Un motor de corriente continua se denomina paralelo cuando los bobinados inductor e inducido están conectados en paralelo respecto a la fuente de alimentación.

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Motor compuesto, mixto o compound: Estos motores de corriente continua disponen de dos bobinados inductores, uno de ellos se conecta en serie con el inducido y el otro en paralelo. El motor compuesto es aditivo cuando la corriente que circula por los dos inductores va en el mismo sentido, sumándose los campos magnéticos de los mismos (este es el sistema utilizado industrialmente). Si las corrientes que circulan por los inductores son de signo contrario, los campos magnéticos se restarían, reduciéndose el rendimiento de la máquina, únicamente favorece la estabilidad de marcha.

Regulación de la velocidad en los motores de corriente continua: Una de las grandes ventajas de los motores de corriente continua es la facilidad de regular su velocidad de una forma lineal con saltos muy pequeñitos en el número de revoluciones. Esto se puede realizar de acuerdo a la expresión (1) donde podemos observar, que la velocidad depende de la tensión en bornas aplicada al motor y del campo magnético que circula por el bobinado inductor, por lo que variando la tensión en bornas que alimenta el motor también varía de forma directamente proporcional la velocidad.

V  n = f  b   φ 

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Otro sistema que se puede utilizar para variar la velocidad consiste en modificar el campo magnético que circula por el bobinado inductor, lo que produce una variación en la velocidad de forma inversamente proporcional.

A veces se utilizan los dos sistemas combinados cuando se requiere un elevado ajuste en el número de revolución, de tal forma que variando la tensión en bornas (Vb) se realiza el ajuste grueso y cambiando el campo magnético (φ) se realiza un ajuste fino de la velocidad.

Cambio de sentido de giro en un motor de corriente continua: Otra gran ventaja en los motores de corriente continua es la facilidad de cambiar el sentido de giro del motor. Esto se realiza modificando la polaridad en la alimentación del bobinado inductor o en el bobinado inducido. Normalmente se realiza modificando la polaridad en el inductor.

Si se varía la polaridad en los dos bobinados a la vez, no se cambia el sentido de giro del motor. Por esto, los motores de c.c. no tienen polaridad en las bornas de conexionado.

Máquinas de corriente alterna: Introducción.Las máquinas de corriente alterna son aquellas que se utilizan como generadores o como motores, según el intercambio de energía que realicen. Así un alternador será un generador de energía que cambia una energía mecánica, térmica, nuclear, eólica, etc en energía eléctrica con movimiento de electrones en forma senoidal. El alternador es el generador utilizado industrialmente para la producción de energía eléctrica de consumo, debido a su facilidad de aumento y reducción de la tensión de salida mediante elementos estáticos llamados transformadores. Estos elementos que están formados por dos bobinados, se relacionan entre sí mediante campos magnéticos, de tal forma que dependiendo del número de espiras existentes entre estos bobinados obtendremos un intercambio de tensión.

Motores de corriente alterna: Las máquinas que se alimentan de energía eléctrica alterna y la convierte en energía mecánica se llaman motores de corriente alterna y los podemos clasificar:

-Asícronos

Rotor en cortocircuito o Jaula de Ardilla

Rotor Bobinado Motores de c.a.

- Síncronos Página nº: 11 MÁQUINAS ELÉCTRICAS

Motor trifásico de rotor cortocircuito o de jaula de ardilla:

Este tipo de motores eliminan el inconveniente de la utilización de anillos rozantes y escobillas, evitando de esta forma elevados mantenimientos y rendimientos bajos del motor. Esto se consigue utilizando un rotor que sea capaz de producir campo magnético por sí mismo sin necesidad de conectarse a la red.

Está formado por un estator que incluye una serie de polos sobre los que se arrollan bobinados que se conectan a la red mediante bornas fijas. A los bobinados del estator que pueden conectarse en estrella, o en triángulo, dependiendo de la tensión de la red y de las características del bobinado, se le introduce un sistema de tensiones trifásicas provenientes de la red y que se encuentran desfasadas entre si 120º. Si estudiamos paso a paso el comportamiento del campo magnético resultante en cada ciclo, se observa que se producirá un campo magnético giratorio en el interior del rotor que será capaz de cortar a éste.

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Rotor.En este tipo de motores, el rotor no tiene conexión eléctrica alguna. Estando formado por una serie de barras cilíndricas de cobre macizo soldadas por su extremo a dos anillos, también de cobre, formando lo que se denomina una jaula de ardilla. Esta jaula está embutida en un núcleo magnético de hierro de forma cilíndrica cuyo conjunto forma el rotor y eje del motor.

Para que el motor de jaula de ardilla produzca un movimiento rotatorio es necesario que el estator sea capaz de producir o generar un campo magnético giratorio, que corte la jaula de ardilla que forma el rotor, para que este genere a su vez, otro campo magnético sin necesidad de conexión a red exterior de alimentación, que al interaccionar con el campo giratorio del estator, hace que el rotor comience a girar.

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Estator

N

S

Rotor

La forma de creación de dicho campo magnético giratorio en el rotor es la siguiente:

1º) El campo magnético giratorio provocado por el estator, corta la jaula de ardilla del rotor.

2º) La jaula de ardilla por ser conductora, genera una fuerza electromotriz al ser cortada por el campo magnético giratorio.

3º) La jaula de ardilla al ser compacta y cerrada, crea una corriente de cortocircuito, motivada por la fuerza electromotriz generada.

4º) Esta corriente genera un campo magnético con polaridad N-S.

5º) El sentido del campo magnético generado es de signo contrario al campo giratorio que lo genera. (Ley de Lenz).

6º) El campo magnético creado en el rotor lleva un cierto retraso respecto al campo giratorio debido a las pérdidas.

7º) Al ser contrarios los campos magnéticos del estator y el rotor y desplazados un cierto ángulo, el rotor intenta alcanzar al campo magnético giratorio del estator (debido a que polaridades de signo contrario se atraen,) produciendo una fuerza giratoria que arrastra al rotor.

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CREACIÓN DE UN CAMPO GIRATORIO EN UN ESTATOR, AL CONECTAR UN SISTEMA TRIFÁSICO DE C.A.

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MOVIMIENTO DEL ROTOR SIGUIENDO EL CAMPO GIRATORIO

Vector Negro: Campo magnético giratorio. Vector Verde: Campo magnético producido por el rotor

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La velocidad del campo giratorio se llama velocidad de sincronismo y su valor es:

ns =

60. f = r. p.m. p

ns= velocidad del campo giratorio en revoluciones por minuto. f= frecuencia de la red ( 50 Herzios) (red europea). p= pares de polos magnéticos del motor. La velocidad máxima del campo giratorio, será para p=1, ya que la red eléctrica tienes una f= cte=50 Hz, por lo que:

nmax =

60 × 50. = 3.000r.p.m. 1

La regulación de la velocidad se puede realizar variando los pares de polos, produciéndose de esta forma, saltos importantes entre velocidades, o bien, variando la frecuencia mediante un convertidor de frecuencia, obteniéndose de esta forma una regulación más lineal. Estos convertidores alcanzan hasta potencias de motores entre 20 y 40 C.V. máximo. La diferencia de velocidad entre el campo giratorio y el rotor se denomina deslizamiento. Se calcula en forma de tanto por ciento, se acuerdo a la siguiente expresión:

S=

ns − nr .100 = % ns

S= deslizamiento en %. / ns= velocidad del campo giratorio. /nr= velocidad del rotor.

El deslizamiento dependerá de la carga que se acople al motor, de tal forma que cuando el motor funcione sin carga mecánica que arrastrar, es decir

en

resistencia

vacío,

sólo

mecánica

tiene propia

la del

motor, por lo que el deslizamiento es mínimo ( del orden de 0,1%). Evidentemente el rotor por este motivo, no puede alcanzar nunca la velocidad de sincronismo. Si la alcanzase y el deslizamiento fuese nulo, el rotor se pararía.

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Si al motor que funciona en vacio, vamos aplicándole una carga mecánica (par resistente ), evidentemente el rotor disminuye la velocidad y aumenta la Intensidad, ya que la f.c.e.m. producida en el rotor disminuye, y el deslizamiento aumenta, creciendo el par de fuerzas o momento que desarrolla el motor, y de esta forma puede ajustarse a la carga que se le aplica, hasta que llega al equilibrio: Tm=Tr, es decir carga que puede arrastrar, velocidad nominal e intensidad nominal. Un motor de jaula de ardilla en régimen normal de funcionamiento, con la carga acoplada oscila entre el 3 y el 7% de deslizamiento, es decir entre el 93 al 97 % de la velocidad de sincronismo.

El punto de equilibrio se encuentra en el momento que el Par del Motor (Tm ) y el Par Resistente (Tr) se igualan: Tm=Tr, es decir cuando Tm-Tr=0. Si Tm>Tr, el motor no arrancaría o si está en marcha y se le introduce la carga, el motor se volvería inestable, y llegaría a pararse.

Esto es debido a la segunda ley de Newton, que nos dice que la aceleración a que está sometida una masa rígida, viene dada por el cociente entre las fuerzas que actúan sobre él y la masa del mismo, siendo la aceleración el resultado de la misma. Si se expresa esta ley en su forma clásica y conocida, tenemos que:

F = m.a

F= Fuerza. / m= masa./ a=aceleración. Esta expresión es para un movimiento lineal. En el caso de los motores, el movimiento es rotacional y la expresión resultante será:

Tm − Tr = J .

∂ω = J .α ∂t

Donde: Tm-Tm es la resultante que actúan sobre el conjunto rotor+carga. El par motor (Tm) tiende a acelerar la carga y el par resistente (Tr), a frenarla. J= es el momento de Inercia del conjunto rotor+carga en Kg.m². α= la aceleración angular, que corresponde a la velocidad angular (ω) respecto al tiempo. Página nº: 21 MÁQUINAS ELÉCTRICAS

Si Tm-Tr, es positiva, el motor aumenta la velocidad, Si Tm-Tr, es cero, estamos en el régimen de equilibrio, y la velocidad se hará constante. Si Tm-Tr, es negativa, el motor no arrancaría si la carga está acoplada en el momento del arranque y se volvería inestable si el motor está en funcionamiento, llegando incluso a la parada.

En física la inercia es la propiedad que tienen los cuerpos de permanecer en su estado de reposo o movimiento, mientras no se aplique sobre ellos alguna fuerza, o la resistencia que opone la materia al modificar su estado de reposo o movimiento. Como consecuencia, un cuerpo conserva su estado de reposo o movimiento si no hay una fuerza actuando sobre él. En física se dice que un sistema tiene más inercia cuando resulta más difícil lograr un cambio en el estado físico del mismo. Los dos usos más frecuentes en física son la inercia mecánica y la inercia térmica. La primera de ellas aparece en mecánica y es una medida de dificultad para cambiar el estado de movimiento o reposo de un cuerpo. La inercia mecánica depende de la cantidad de masa y del tensor de inercia.

Si seguimos aumentando la carga, la velocidad se irá reduciendo, aumenta el deslizamiento así como la intensidad que consume el motor, con el objeto de producir el momento necesario para arrastrar la carga, hasta que llega al punto máximo de momento que puede producir el motor. Hasta este punto, el funcionamiento del mismo es estable, pero si continuamos metiendo carga, el funcionamiento del motor se vuelve inestable llegándose a parar y quemándose los bobinados, si las protecciones no actúan.

En el ejemplo siguiente, el momento máximo se alcanza al 80 % de la velocidad nominal, es decir con un 20% de deslizamiento. En este punto el momento máximo tiene el valor de 2,5 el momento nominal que se alcanza sobre el 5% de deslizamiento. También se puede observar, que en el arranque, cuando la velocidad en nula, y la f.c.e.m. es nula, la corriente de arranque es muy elevada (5 In), lo que lleva a que en este motor, el momento de arranque valga 1,5 veces el Momento nominal.

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Las características técnicas de un motor, suelen estar impresas en la chapa de características del motor y en los catálogos de los fabricantes, la tabla siguiente nos informa de algunas de estas características:

Arranque del motor: Una de las ventajas del motor de inducción es que cuando se conecta directamente a su tensión nominal, provoca un elevado par de arranque, que oscila entre 1,4 a 1,6 el par a plena carga. La contrapartida a este elevado para de arranque es doble, por un lado provocan fuertes corriente de consumo respecto a su intensidad nominal, ( de 5 a 6 veces su In) ya que el motor al estar parado no crea f.c.e.m. y que su factor de potencia es muy bajo ( entre 0,20 a 0,30 en retraso). Los reglamentos y normativas vigentes impiden llegar a unos determinados niveles de consumo en los arranques de los motores, debido a las alteraciones que provoca en la red. El REBT en su ITC 47, apartado 6, tabla 1, nos indica lo siguiente: “En general, los motores de potencia superior a 0,75 kilovatios deben estar provistos de reóstatos de arranque o dispositivos equivalentes que no permitan que la relación de corriente entre el período de arranque y el de marcha normal que corresponda a su plena carga, según las características del motor que debe indicar su placa, sea superior a la señalada en el cuadro siguiente:”

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“En los motores de ascensores, grúas y aparatos de elevación en general, tanto de corriente continua como de alterna, se computará como intensidad normal a plena carga, a los efectos de las constantes señaladas en los cuadros anteriores, la necesaria para elevar las cargas fijadas como normales a la velocidad de régimen una vez pasado el período de arranque, multiplicada por el coeficiente 1,3.”

Para reducir este problema y cumplir la normativa, la única forma de reducir la corriente de arranque es disminuir la tensión de alimentación. Existe otra alternativa que es aumentar la impedancia que presenta el motor con el rotor parado. Existen diferentes métodos de arranque que reducen la tensión de alimentación, como son:

1º) Arranque por auto-transformador. 2º) Arranque - estrella, triángulo. 3º) Arranque electrónico.

Arranque por aumento de la impedancia: 4º) Arranque a través de resistencias.

ARRANQUE CON AUTOTRANSFORMADOR: Consiste en intercalar un autotransformador reductor de la alimentación entre la red de alimentación y el motor durante el proceso de arranque. Una vez acelerado el motor, el autotransformador se eliminará y el motor quedará conectado directamente a la red. Con ello se consigue que al reducir la tensión se reduzca la intensidad de arranque. El par de arranque queda reducido en la misma proporción que la corriente, es decir al cuadrado de la tensión reducida: M=f(V²). Así, si reducimos la tensión en un 30 %, el momento de arranque corresponde al 100% del nominal, si la reducción es al 50%, el par de arranque será el 50% del nominal.

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ARRANQUE ESTRELLA-TRIÁNGULO: El sistema más comúnmente empleado, es arrancar el motor en estrella por lo que recibe cada bobinado raíz de tres veces menos de tensión, reduciéndose la corriente por tanto en el arranque a la tercera parte. Para que este método se pueda emplear, es necesario que el motor pueda funcionar de forma permanente en conexión triángulo.

Cuando conectamos el motor en estrella (Y):

Uf =

Ul 3

La Intensidad de fase (If) es igual a la de línea (Il), valdrá:

Ifase, Y =

Uf Ul = = Ilínea , Y = IY Zb Zb. 3

Zb=Impedancia de la bobina (V1-V2) Cuando conectamos el motor en triángulo (∆), la tensión que recibe la bobina (Uf) es :

Ifase, ∆ =

Ul = Uf

Ul Ilinea , ∆ I∆ = = Zb 3 3

Si despejamos de esta ecuación la I∆:

I∆ =

Ul. 3 Zb

Si procedemos a comparar las intensidades de línea entre las conexiones estrella y triángulo, tendremos:

Ul 1 IY Ul .Zb = 3.Zb = = I∆ Ul . 3 3. 3.Ul.Zb 3 Zb Por lo que:

IY =

I∆ 3

Podemos concluir, por tanto que en la conexión estrella, la punta de intensidad en el instante del arranque es un tercio de la que tiene de arrancar directamente en conexión triángulo.

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Al alcanzar el motor su velocidad nominal, pasaremos de forma automática a la conexión triángulo, para que el motor funcione con su potencia nominal. El proceso en el arranque (Y/∆), respecto a las intensidades es el siguiente:

Punto a) El motor arranca en (Y), con una punta de intensidad de 2In ( que es la tercera parte de la intensidad si arrancase en ∆. Acelera hasta llegar al punto (b), en el que Tm=Tr (88% de n1). Si el motor fuese bipolar, n1=3000rpm, por lo que en el punto (b) el rotor gira a Siendo el deslizamiento del 12% (100-88).

88 × 3000 = 2640rpm 100

Punto b) En este punto se desconecta la conexión (Y), con lo que la intensidad baja a cero (punto c), pero el rotor por su inercia sigue girando a 2640rpm. Punto c) En este punto, se inicia una brevísima pausa (c-d), con el objeto que el arco producido al abrirse la estrella, se extinga, reduciéndose en eta pausa la velocidad ( en nuestro ejemplo al 80%, lo que supone que el rotor llevará una velocidad de 2400 rpm. Punto d) El motor se conecta en ( ) y se le aplica una tensión

3 veces mayor que en (Y),

por lo que se produce una

sobreintensidad de corta duración, que en nuestro caso será de 4xIn (punto e). En este punto Tm>Tr, y el rotor aumenta la velocidad, hasta llegar al punto (e) donde Tm=Tr y que corresponde a la intensidad nominal de funcionamiento del motor. En este punto el motor gira a una velocidad del 96% de n1, es decir con un deslizamiento del 4%. Página nº: 26 MÁQUINAS ELÉCTRICAS

Es conveniente señalar, que el par de arranque queda reducido a la tercera parte, por lo que si el motor tiene que arrancar a plena carga, no podrá con la misma. En muchas ocasiones el arranque (Y/∆) no se puede utilizar. (Grúa). Este arranque se utiliza cuando lo motores arrancan en vacio o con baja carga, a fin que el motor pueda alcanzar una velocidad cercana a la nominal en la posición estrella. Si no se alcanzase la citada velocidad, bien sea por una conmutación anticipada de (Y a ∆) o porque el momento motor en estrella es inferior al resistente, aparecerían puntas de arranque importantes en el instante de la conmutación, de forma que se alcanzarían valores cercanos a los de arranque directos a plena tensión.

Momento de arranque (Y/∆): El momento de giro que desarrolla un motor, sabemos que es proporcional al cuadrado de la tensión de alimentación. Así al arrancar en conexión estrella, el momento de arranque es: Si arrancamos en triángulo: Ma∆ = k (Ul )2 Si comparamos los dos arranques, tendríamos:

Por lo que:

MaY 1 Ma∆ = → MaY = Ma∆ 3 3

2

Ul 2 Ul 2  Ul  MaY = kUf = k   = k =k 3 3× 3  3 2

Ul 2 k MaY kUl 2 1 = 32 = = 2 Ma∆ kUl kUl .3 3

Es decir en conexión (Y) el momento en el instante de arrancar es un tercio del que se tiene de arrancar directamente en ∆.

MaY =

Ma∆ 3

Las curvas características completas de Momentos e Intensidades para el funcionamiento de una máquina será:

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El gráfico anterior, pertenece a un motor, de 22Kw, 380 voltios, 50Hz,4 polos cuyo par resistente crece desde 30N.m, alimentado a una red de 380 voltios. La velocidad de sincronismo o velocidad del campo giratorio, es de 1500rpm.

ns =

60 × f 60 × 50 = = 1500rpm 2 p

El motor arranca en estrella, con una punta de arranque de 82,2 A, lo que quiere decir que si se hubiese arrancado en directo, es decir en triángulo, el valor de la corriente hubiera sido de 82,2 x3 = 246,6 A. El par de arranque en conexión directa (∆) según el gráfico de funcionamiento en el momento de arranque, vale 211,5 N.m, por lo que el par de arranque en la conexión (Y), será: 211,5/3=70,4N.m. Este par de arranque es mayor que el par resistente, cuyo valor comienza en 30N.m. Esto quiere decir que Tm>Tr, por lo que el par motor vence al par resistente y empieza la aceleración del mismo y progresivamente al aumento de velocidad, mientras que se cumpla que Tm-Tr>0. La velocidad del rotor crece, y a la vez la carga va aumentando, hasta que llega un momento (punto A), donde el valor de Tm=Tr, por lo que Tm-Tr=0, en este punto se ha alcanzado el equilibrio, con el motor a una velocidad del 95,94% de la de sincronismo ( 1.439 rpm).En este momento hay que realizar el paso a triángulo. En este punto, podemos observar que la corriente que el motor está absorbiendo es un poco mayor que la nominal ( punto B), en ese instante el motor se conecta en ( ) y se le aplica una tensión

3

veces mayor que en (Y), por lo

que se produce una sobreintensidad de corta duración, que en nuestro caso será de 46,8 A, (punto C) muy por debajo que si arrancamos en directo. En este momento el par motor Tm, aumenta hacia el punto (E), siendo Tm>Tr, y el rotor aumenta la velocidad, hasta llegar al punto (F) donde de nuevo Tm=Tr=145,4 N.m. Desde el punto (F) de equilibrio, proyectamos hacia el eje de accisas y obtenemos el punto (G), que nos indicará el valor nominal de funcionamiento del motor a plena carga, que en este caso será de 41,4 A. y corresponderá a una velocidad del 96,5% de la se sincronismo, es decir 1.447,5 rpm, que será la velocidad nominal de funcionamiento del motor. Conexionado Estrella-Triángulo: Hemos comentado en párrafos anteriores, que el paso de estrella a triángulo, hay que realizarlo en el momento adecuado, es decir cuando Tm=Tr, con el objeto de evitar sobrecorrientes innecesarias, pero a menudo se olvida que también hay que tener en cuenta la forma de conectar el motor cuando se abre el contactor estrella y se cierra el contactor triángulo, conectando las tres fases a las bornas correspondientes. Esta conexión se puede realizar, de dos formas, sin implicar que el motor gire inadecuadamente: La conexión A ó C, para el giro a derecha, y la conexión B ó D, para el giro a izquierda. Sin embargo las conexiones C y D, son inadecuadas (aunque el motor funciona).

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Es decir que para el giro a derecha por ejemplo, cuando el contactor estrella se abra, el contactor triángulo debe conectar la L1 a V2, la L2 a W2 y la L3 a U2, es decir que en la placa de bornes debe existir la conexión (A) y no la (C).

Esto es debido a lo siguiente: Cuando se abre el contactor estrella, desaparece el campo magnético giratorio, al conectar el contactor triángulo, vuelve a aparecer, de la siguiente forma: a) Si conexión es la (A), el campo giratorio irá atrasado respecto al giro del rotor, por lo que únicamente este campo giratorio lo alcanzará sin gasto energético, ya que gira a la velocidad de sincronismo que siempre es mayor que la velocidad del rotor b) Si conexión es la (C), el campo giratorio irá adelantado respecto al giro del rotor, por lo que el rotor, tiene que realizar un consumo extra de corriente para alcanzar ell campo giratorio, provocando una sobrecorriente al conectar en triángulo, que reduce la ventaja de este tipo de arranque.

El esquema estrella-triángulo con los conexionados correctos, sería:

ARRANQUE ELECTRÓNICO: Actualmente los componentes electrónicos de potencia han reducido mucho su precio, lo que ha llevado a la utilización más frecuente de arrancadores estáticos.

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Estos arrancadores tienen el mismo principio de funcionamiento, es decir arrancan por reducción de tensión estatórica, pero lo pueden realizar de forma progresiva, adecuando la tensión eficaz aplicada al estator a un valor constante de la intensidad absorbida en el arranque. Constan de tres triacs dispuestos en serie con el motor y se regulan por control de ángulo de disparo sobre la puerta de disparo del triacs, controlando el instante del ciclo en el que el triacs conduce, en los dos semiciclos. La tensión de disparo varía, entre cero voltios para un ángulo de disparo de 180º y la tensión de la red para el ángulo de disparo de 0º. Teniendo en cuenta la relación cuadrática de la tensión, respecto al momento, también podemos controlar éste parámetro, y podemos hacer que el motor funcione con diferentes curvas par-velocidad, ajustándose a la carga del motor. Existe el inconveniente que en el proceso de arranque del motor, la forma de onda no es senoidal y lo mismo ocurre con la corriente, lo que supone distorsiones de onda en la red, armónicos y pérdidas adicionales. Otro inconveniente es el elevado precio del arrancador Todo ello se compensa por la eliminación del transitorio de arranque, reducción del desgaste en los engranajes y transmisiones mecánicas y podemos reducir progresivamente el par motor, suavizando la parada, efecto importante sobre todo en los motores que accionan bombas hidráulicas, reduciendo los efectos del golpe de ariete en las tuberías. El fenómeno del golpe de ariete, también denominado transitorio, consiste en la alternancia de depresiones y sobrepresiones debido al movimiento oscilatorio del agua en el interior de la tubería, es decir, básicamente es una variación de presión, que puede llegar a destruir las tuberías.

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4º) ARRANQUE MEDIANTE RESISTENCIAS. La impedancia que presenta el motor en el arranque, así como el cos φ es muy bajo, provoca en última instancia una elevada intensidad de arranque, la otra alternativa a la reducción de tensión, consiste en incrementar la impedancia del motor durante el proceso de arranque a base de insertar resistencias en serie con el motor. Puede tener una o más etapas. Una vez eliminado todo el reóstato, el motor alcanza la velocidad de

giro

que

corresponde

a

la

curva

par-velocidad

de

funcionamiento.

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Inversión del sentido de giro: Un motor trifásico de corriente alterna de jaula de ardilla invierte su sentido de giro, simplemente cambiando en las bornas, dos fases cualesquiera de alimentación, ya que podemos comprobar que de esta forma, cambia el sentido de giro del campo giratorio. Si se cambian las tres fases, el motor no cambiaría el sentido de giro.

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Conexionado de un motor:

Un motor trifásico puede conectarse en estrella o en triángulo, adoptándose una conexión u otra, en función de la tensión de red y de la tensión máxima admitida para cada bobina. De tal forma que la tensión de la red sea la que corresponda al bobinado.

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Ejemplo: Disponemos de una red trifásica 400/230V, si en la placa de características del motor se indicara 400 V, el conexionado que habría que realizar sería en triángulo, ya que este valor coincide con el de la red. Sin embargo, si la placa de características indicara 230V, el conexionado se realizaría en estrella, con el objeto que a cada bobina le llegue 230V. Si en el motor se indica 230/400 V, el valor menor ( 230V) es la tensión máxima a la que puede conectarse el bobinado. Es decir que cada bobina no puede recibir más de 223 V., por lo tanto si la red es de 230/400 voltios, habría que conectarlo en estrella, para que a cada bobinado le llegue 230 voltios

(400 / 3 )

Si lo conectamos en triángulo, la bobina recibe 400 voltios y se quemaría.

MOTOR TRIFÁSICO DE ROTOR BOBINADO: Cuando se necesita un elevado par de arranque, como por ejemplo para las grúas, con el motor de jaula de ardilla no disponemos de ello, por lo que hay que recurrir a un motor que el estator es idéntico al de jaula, pero el rotor está bobinado y se conecta a través de tres anillos rozantes y sus correspondientes escobillas, que es el punto débil de este motor, ya que al existir rozamientos, hay que dedicar un elevado esfuerzo de mantenimiento. En la actualidad se utiliza muy poco, ya que debido a los arrancadores electrónicos se pueden conseguir elevados par de arranque en los motores de jaula.

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Normalmente el rotor se conecta en estrella, a través de resistencias, y el estator en estrella o triángulo dependiendo de la tensión de la red.

Motores monofásicos de corriente alterna: Son aquellos motores cuya conexión se realiza entre una fase activa y el neutro. Son utilizados mayoritariamente a nivel doméstico (lavadora, frigorífico, secador..). Los tipos más importantes utilizados: motor universal. motor bobinado auxiliar. motor de condensador. motor espira de sombra.

Motor universal: El motor monofásico de corriente alterna universal, es idéntico a un motor serie de corriente continua. La única variación consiste en que los núcleos magnéticos están formados por chapas magnéticas apiladas y aisladas entre sí. El funcionamiento es debido a los desequilibrios de campos magnéticos producidos por el inductor y el inducido.

Es utilizado para máquinas portátiles y pequeños electrodomésticos ( taladros, batidoras, etc).

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El resto de los motores monofásicos dispone de un rotor en jaula de ardilla por lo que estos motores no son capaces de arrancar por sí solos, ya que un solo bobinado conectado entre fase activa y neutro no es capaz de producir campo giratorio. Para obviar este inconveniente y hacer que estos motores arranquen por sí solos, se utiliza una serie de elementos que lo posibilitan y que de lugar a diferentes tipos de motores.

-

Motor bobinado auxiliar: Este tipo de motores disponen de dos bobinados desfasados 90º en el estator, uno de ellos es el principal y el otro es auxiliar.

Este motor al conectarse a la red es capaz de crear un campo giratorio ya que dispone de dos bobinados desfasados 90º en el estator. Cuando el motor alcanza su velocidad nominal no se necesita el bobinado auxiliar, de tal forma que en serie con este se dispone de un interruptor centrífugo que se abre debido a la velocidad, haciendo Página nº: 36 MÁQUINAS ELÉCTRICAS

que el muelle del interruptor se comprima. Cuando el motor se desconecta de la red y se para el rotor, este interruptor vuelve a cerrarse debido a la acción del muelle.

Motor de condensador (motor bobinado auxiliar mejorado): Para mejorar y aumentar la fuerza de arranque del motor anterior y poder de esta forma arrancar en carga, se ha modificado, introduciendo un condensador en serie con el bobinado auxiliar que tiene como misión provocar un mayor desfase entre los bobinados, por lo que el campo giratorio creado es mucho más fuerte y por tanto la inducción magnética en el rotor es mucho mayor.

Este motor se utiliza en muchos aparatos electrodomésticos ( lavadoras, lavavajillas, secadoras, etc), así como máquinas herramientas de poca potencia.

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Motor de espira de sombra: Cuando necesitamos motores en aplicaciones donde se requiera una reducida fuerza de arranque como puede ser un extractor axial de aire, ventilador, bomba agua lavadora, etc, se utiliza un sistema de funcionamiento muy simple y económico, consistente en un rotor de jaula de ardilla y un estator con un solo bobinado, que dispone en sus polos de dos anillos de cobre que, al ser recorridos por un campo magnético alterno, induce en ellos una fuerza electromotriz que hace circular una corriente. Al estar en cortocircuito por ser un anillo cerrado, provoca un campo magnético a su alrededor desfasado 90º respecto al producido por el inductor, estos dos campos magnéticos generan el campo giratorio necesario capaz de arrancar el motor.

Motor trifásico asíncrono, funcionando como monofásico: Consiste en conectar una de las fases del motor, a través de un condensador, como se muestra en la figura: Esta conexión se puede realizar para pequeñas potencias, perdiendo casi un tercio de la potencia que tiene como trifásico, así como el par de arranque. Para 230 voltios, se recomienda una capacidad de 70 microfaradios/Kw.

Pérdidas en los motores. Rendimiento: Existen dos tipos de pérdidas: mecánicas y eléctricas. Las pérdidas mecánicas son motivadas por los rozamientos producidos por los elementos en movimiento en el motor como son los ejes y rodamientos. Página nº: 38 MÁQUINAS ELÉCTRICAS

Las pérdidas eléctricas son motivadas por:

Circuitos eléctricos

Resistencia de los bobinados.

Corrientes parasitarias de Foucault. Circuitos magnéticos Histéresis

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Pérdidas en los circuitos eléctricos: La corriente, al pasar por los bobinados del motor, además de producir campo magnético necesario para que el motor gire, dicha corriente, debido al efecto de Joule produce calor, cuyo valor viene determinado por la fórmula:

Pp = RB .I2 = Ω.A2 = vatios(w) El calor provocado será absorbido por el medio ambiente que rodea al motor y por tanto no se utiliza para efectuar ningún trabajo útil siendo por tanto una pérdida.

Pérdidas de Foucault:

Cuando

tenemos

un

núcleo magnético en una máquina de corriente alterna, al conectarla a la red se produce un campo magnético variable que induce en las chapas magnéticas una fuerza electromotriz, ya que estas son conductoras. Al ser estas cerradas, se encuentran en cortocircuito y producen por tanto, unas corrientes por la citada chapa, llamadas de Foucault. Estas corrientes provocan calentamientos y por tanto se consideran pérdidas del hierro.

Para reducir estas pérdidas, el núcleo magnético se fabrica con chapas magnéticas aisladas entre sí mediante un barniz aislante. Con esto se evitan las corrientes transversales. Para reducir la corriente en cada chapa se le inyecta a ésta, en su fabricación, granos de silicio, llamados de grano orientado, que tienen como misión aumentar la resistencia a la circulación de la corriente reduciendo su valor, ya que el silicio es un semiconductor que impide la circulación de las corrientes parasitarias en determinados sentidos. Los núcleos magnéticos de las máquinas de corriente continua no tienen este tipo de pérdida, ya que el campo magnético no es variable y por tanto no producen las fuerzas electromotrices inducidas en el hierro. Página nº: 40 MÁQUINAS ELÉCTRICAS

Pérdidas de histéresis:

Cuando sometemos un núcleo de hierro a un campo magnético, se observa utilizando un fluxómetro, que este núcleo de hierro empieza a producir campo magnético debido a las orientaciones de sus electrones sometidos al campo magnético producido por la bobina (B)

A medida que aumentamos la intensidad magnética producida por la bobina (H), aumentado (I) al cambiar los valores del reóstato ( R ), se observa que el campo magnético generado por el núcleo (β) e indicado por el Fluxómetro (F), aumenta de forma proporcional, hasta que llega un momento donde por mucho que se aumente el valor de (H) producido en la bobina, el núcleo no aumenta el campo magnético (β) ya que todos los electrones del núcleo están orientados, en este momento se dice que el núcleo de ha SATURADO.

Si reducimos progresivamente el campo magnético producido por la bobina,(reduciendo la –I- a través del reóstato), observamos que la β generada por el núcleo, también baja, pero no sigue la curva obtenida anteriormente en el ascenso. Cuando desaparece el campo magnético en la bobina, ( I=0), se observa que el núcleo mantiene un poco de campo magnético llamado magnetismo remanente.

Si queremos eliminar este magnetismo residual, debemos invertir la polaridad en el bobinado, pasando el conmutador a la posición II, y vamos aumentando el valor de la intensidad de campo magnético (H) de forma progresiva, llegando un momento en que el campo magnético en el núcleo de hierro se anula (β=0). La fuerza empleada para este proceso se denomina fuerza coercitiva.

Si continuamos aumentando el valor del campo magnético del bobinado (I aumenta), se repite la situación primera, pero con campos magnéticos contrarios. Página nº: 41 MÁQUINAS ELÉCTRICAS

Al repetir este proceso se llega a cerrar un ciclo completo llamado ciclo de Histéresis. Este ciclo es característico para cada tipo de núcleo magnético.

El área encerrada en este ciclo es proporcional a las pérdidas de histéresis que se producen tanto para sistemas de corriente continua como para corriente alterna.

Estas pérdidas provocan calor en el núcleo motivadas por el movimiento de los electrones al orientarse.

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