Motores elctricos

Motoroes electricosLos motores elctricos son mquinas elctricas que transforman en energa mecanica la energa elctrica que absorben por sus bornes.

Atendiendo al tipo de corriente utilizada para su alimentacin, se clasifican en:Motores de Corriente continua De excitacin independiente. De excitacin en serie. De excitacin (shunt) o derivacin. De exitacin compuesta.

Motores de corriente alterna Motores sncronos. Motores asncronos: Monofsicos. De bobina auxiliar. De espira corto circuito. Universal. Trifsicos. De rotor bobinado. De rotor en cortocircuito (jaula de ardilla).

Todos los motores de corriente continua as como los sncronos de corriente alterna tienen una utilizacin muy especfica.Los motores de corriente alterna asncronos, tanto monofsicos como trifsicos, son los que tienen una aplicacin ms generalizada gracias a su facilidad de utilizacin, poco mantenimiento y bajo coste de fabricacin.

La velocidad de sincronismo de los motores elctricos de corriente alterna viene definida por la expresin:Donde:

Numero de revoluciones por minuto.

Frecuencia de la red.

Nmero de paredes de polos de la mquina.

Se da el nombre de motor asncrono al motor de corriente alterna cuya parte mvil gira a una velocidad distinta a la de sincronismo.Aunque a frecuencia industrial la velocidad es fija para un determinado motor, hoy da se recurre a variadores de frecuencia para regular la velocidad de estos motores.Constitucin del motor asncrono de induccin

Como todas las mquinas elctricas, un motor elctrico est constituido por un circuito magntico y dos elctricos, uno colocado en la parte fija (esttor) y otro en la parte mvil (rotor).

El circuito magntico est formado por chapas apiladas en forma de cilindro en el rotor y en forma de anillo en el estator.

Estator y rotor de motor elctrico.

El cilindro se introduce en el interior del anillo y, para que pueda girar libremente, 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 metlica con soporte llamada carcasa.El cilindro se adosa al eje del motor y puede estar ranurado en su superficie para colocar el bobinado inducido (motores de rotor bobinado) o bien se le incorporan conductores de gran seccin soldados a anillos del mismo material en los extremos del cilindro (motores de rotor en cortocircuito) similar a una jaula de ardilla, de ah que reciban el nombre de rotor de jaula de ardilla.VentiladorPlaca de caracteristicasBobinadoEjeRodamientoRotorPila de bornesEstator

El eje se apoya en unos rodamientos de acero para evitar rozamientos y se saca al exterior para transmitir el movimiento, y lleva acoplado un ventilador para refrigeracin. Los extremos de los bobinados se sacan al exterior y se conectan a la placa de bornes.

Campo magntico giratorioEl campo magntico creado por un bobinado trifsico alimentado por corriente alterna es de valor constante pero giratorio y a la velocidad de sincronismo. Este fenmeno se puede comprobar con el estudio de las posiciones que va ocupando la resultante del flujo atendiendo a los sentidos de corriente que van tomando los conductores en el bobinado. En el instante 0, la fase U tiene valor cero, la fase V tiene valor negativo, por lo que la corriente circula desde V2 hasta V1, y la fase W tiene valor positivo, con lo que la corriente circula desdeW1 hasta W2. En el bobinado se crea una bobina ficticia a la que aplicando la (regla del sacacorchos) nos da que, en este instante, la resultante del flujo se sita entre las ranuras 7 y 8.El ciclo de la corriente se divide en seis partes iguales pasando ahora al instante 1, donde vemos que la fase U tiene valor positivo, la fase V sigue teniendo valor negativo y la fase W tiene valor positivo.En este instante la resultante del flujo se sita entre las ranuras 9 y 10, con lo que ha avanzado un sexto de la circunferencia en el tiempo que ha transcurrido desde el instante 0 al 1, que se corresponde con un un sexto del periodo de la corriente.Si vamos aplicndolo sucesivamente a los dems instantes, podemos ver que de uno a otro siempre avanza un sexto de vuelta igual que el tiempo que transcurre de un instante a otro el periodo de la corriente, lo que nos indica que el flujo es giratorio y su velocidad coincide con la velocidad del sistema de corriente alterna.

Principio de funcionamiento

El funcionamiento del motor asncrono de induccin se basa en la accin del flujo giratorio generado en el circuito estatrico sobre las corrientes inducidas por dicho flujo en el circuito del rotor. El flujo giratorio creado por el bobinado estatrico corta los conductores del rotor, por lo que se generan fuerzas electromotrices inducidas. Suponiendo cerrado el bobinado rotrico, es de entender que sus conductores sern recorridos por corrientes elctricas. La accin mutua del flujo giratorio y las corrientes existentes en los conductores del rotor originan fuerzas electrodinmicas sobre los propios conductores que arrastran al rotor hacindolo girar (Ley de Lenz).La velocidad de rotacin del rotor en los motores asncronos de induccin es siempre inferior a la velocidad de sincronismo (velocidad del flujo giratorio). Para que se genere una fuerza electromotriz en los conductores del rotor ha de existir un movimiento relativo entre los conductores y el flujo giratorio. A la diferencia entre la velocidad del flujo giratorio y del rotor se le llama deslizamiento.

Motores asncronos trifsicos.

TIPOS Y SISTEMAS DE ARRANQUE

Los motores asncronos de induccin son aquellos en los que la velocidad de giro del rotor es algo inferior a la de sincronismo. Los podemos encontrar tanto monofsicos como trifsicos.

Motores trifsicos

Son motores en los que el bobinado inductor colocado en el esttor est formado por tres bobinados independientes desplazados 120 elctricos entre s y alimentados por un sistema trifsico de corriente alterna. Los podemos encontrar de dos tipos: Rotor en cortocircuito (jaula de ardilla). Rotor bobinado.

Tensiones e intensidades en el esttor de los motores trifsicos

Todo bobinado trifsico se puede conectar en estrella (todos los finales conectados en un punto comn, alimentando el sistema por los otros extremos libres) o bien en tringulo (conectando el final de cada fase al principio de la fase siguiente, alimentando el sistema por los puntos de unin).En la conexin estrella, la intensidad que recorre cada fase coincide con la intensidad de lnea, mientras que la tensin que se aplica a cada fase es 3 menor que la tensin de lnea.Conexin en los bobinados estrella.

En la conexin tringulo la intensidad que recorre cada fase es 3 menor que la intensidad de lnea, mientras que la tensin a la que queda sometida cada fase coincide con la tensin de lnea.Conexin en los bobinados estrella y tringulo.

En estas condiciones, el motor se puede considerar como bitensin, ya que las tensiones normalizadas son de 230 o 400 V. Si un motor est diseado para aplicarle 230 V a cada fase, lo podremos conectar a la red de 230 V en tringulo y a la red de 400 V en estrella. En ambos casos, la tensin que se le aplica a cada fase es 230 V. En una y otra conexin, permanecen invariables los parmetros de potencia, par motor y velocidad. La conexin estrella o tringulo se realiza sobre la placa de bornes mediante puentes. Motor de rotor en cortocircuito

El motor de rotor en cortocircuito es el de construccin ms sencilla, de funcionamiento ms seguro y de fabricacin ms econmica. Su nico inconveniente es el de absorber una elevada intensidad en el arranque a la tensin de funcionamiento.En el momento del arranque este motor acoplado directamente a la red presenta un momento de rotacin de 1,8 a 2 veces el de rgimen, 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, los extremos del bobinado inductor se disponen como muestra la Figura.

Su puesta en marcha se realiza de una forma simple y sencilla mediante un interruptor manual tripolar Estos interruptores han de estar diseados para la intensidad del motor. El Reglamento Electrotcnico de Baja Tensin (REBT) en su instruccin ITC-BT-47 regula la relacin que debe existir entre las intensidades de arranque y plena carga de los motores alimentados desde una red pblica de alimentacin en funcin de su potencia. De dicha relacin de proporcionalidad se desprende que los motores de potencias superiores a 0,75 kW que no cumplan la relacin de intensidades expuesta en la tabla, han de disponer de un sistema de arranque que disminuya esa relacin.

Relacin de intensidades de arranque y plena carga admisibles en los motores de corriente alterna para su puesta en marcha segn el REBT.

La intensidad en el momento del arranque de motores que no cumpla esta relacin puede hacer que salten las protecciones o bien perjudicar las lneas que los alimentan.Para evitar estos inconvenientes se disminuye la tensin en el periodo de arranque y con ello la intensidad, y una vez alcanzada la velocidad de rgimen se conecta el motor a su tensin nominal, con lo que se lobra amortiguar la intensidad de arranque. Para conseguir esto se utilizan los siguientes procedimientos: Arranque estrella tringulo. Arranque mediante autotransformador. Arranque mediante resistencias en serie con el bobinado estatrico.

Arranque estrella tringulo ( )

El procedimiento ms empleado para el arranque de motores trifsicos de rotor en cortocircuito con relaciones superiores a la expuesta en la tabla consiste en conectar el motor en estrella durante el periodo de arranque y, una vez lanzado, conectarlo en tringulo para que quede conectado a la tensin nominal.Para ello, se hace necesario intercalar entre el motor y la lnea 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 estrella tringulo de un motor trifsico mediante arrancador manual.

Arranque mediante autotransformador

Es un procedimiento que se utiliza para motores de gran potencia y consiste en intercalar entre la red de alimentacin y el motor un autotransformador, como se ve de forma esquemtica.Este tiene distintas tomas de tensin reducida, por lo que, en el momento del arranque, al motor se le aplica la tensin menor disminuyendo la intensidad y se va elevando de forma progresiva hasta dejarlo conectado a la tensin de la red.Arranque de un motor trifsico mediante autotransformador.

Arranque con resistencias en serie con el bobinado del estator

Es un procedimiento poco empleado que consiste en disponer un restato variable en serie con el bobinado estatrico. La puesta en marcha se hace con el restato al mximo de resistencia y se va disminuyendo hasta que el motor queda conectado a la tensin de red. Arranque de un motor trifsico mediante resistencias en serie con el esttor.

Motor de rotor bobinado y anillos rozantes

En este tipo de motores, el rotor va ranurado igual que el esttor, y en l se coloca un bobinado normalmente trifsico similar al del esttor conectado en estrella y los extremos libres se conectan a tres anillos de cobre, aislados y solidarios con el eje del rotor. Despiece del motor de rotor bobinado.

Placa de bornes de motor trifsico de rotor bobinado.

Sobre los anillos, se colocan los portaescobillas, 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.La gran ventaja que presentan estos motores es su par de arranque, ya que puede alcanzar hasta 2,5 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 conexin de un restato de arranque conectado en serie con el bobinado del rotor, y una vez alcanzada la velocidad de rgimen, se puentean los anillos en estrella.Estos motores tienen una aplicacin muy especfica y, dada su constitucin, necesitan de un mantenimiento mucho ms exhaustivo que los de rotor en cortocircuito. Arranque de un motor trifsico de rotor bobinado mediante restato conectado en serie con el rotor.

Sentido de giro de los motores trifsicos

Para comprobar el campo magntico giratorio, se tena en cuenta el sentido de circulacin de la corriente por las tres fases del bobinado. En l 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.Cuando necesitamos que el giro sea al contrario (sentido anti-horario), basta con permutar dos fases de alimentacin del motor 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.Esquema de conexiones para el cambio de giro en motores trifsicos de corriente alterna.

Cuando una mquina ha de girar en ambos sentidos, necesitamos un conmutador (inversor) que realice la permuta de la alimentacin 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 inversin no se realice a contramarchaInversores de giro manuales.

Esquema de conexiones para la inversin de giro de un motor trifsico de corriente alterna mediante conmutador manual.

Motores asncronos monofsicos

En el mbito domstico tienen gran aplicacin los motores elctricos, por lo que es necesario que estos puedan funcionar en redes monofsicas. Los motores monofsicos son muy parecidos a los trifsicos, con el inconveniente de que su rendimiento y factor de potencia son inferiores. A igual potencia, el monofsico es ms voluminoso que el trifsico y, siempre que las condiciones lo permitan, se utilizarn trifsicos. Los ms utilizados son:

Motor monofsico con bobinado auxiliar de arranque. Motor de espira en cortocircuito. Motor universal. Motor monofsico con condensador

Motor monofsico con bobinado auxiliar de arranqueConstitucin y principio de funcionamiento

Como todos los motores elctricos, est formado por un circuito magntico y dos elctricos.El circuito magntico est formado por el esttor, donde se coloca el bobinado inductor y el rotor que incorpora el bobinado inducido, que en la mayora de los casos suele ser de jaula de ardilla.De su nombre se desprende que utiliza un solo bobinado inductor, recorrido por una corriente alterna que crea un flujo tambin alterno, pero de direccin constante que, por s solo, no es capaz de hacer girar al rotor.Si el rotor se encuentra ya girando, en los conductores del bobinado rotrico se generan fuerzas electromotrices que hacen que por el bobinado rotrico circulen corrientes, que a su vez generan un flujo de reaccin desfasado 90 elctricos respecto del principal.La interaccin entre estos dos flujos hace que el motor se comporte como un motor bifsico y el rotor contine girando.De lo expresado anteriormente se desprende que el motor monofsico es incapaz de arrancar por s solo pero, si se pone en marcha, se mantiene funcionando de forma normal hasta su desconexin.Por ello, hay que dotar a dicho motor de un dispositivo adecuado para iniciar el arranque.El ms utilizado es incorporar al esttor un bobinado auxiliar que funciona durante el periodo de arranque y que se desconecta una vez que el motor est en funcionamiento.En estas condiciones, el motor en el arranque es un motor bifsico, con sus bobinados desfasados 90 elctricos, que hace que el motor se ponga en marcha. Una vez alcanzado el rgimen de vueltas, se desconecta el bobinado auxiliar de forma que queda funcionando como motor monofsico.Para realizar la desconexin del bobinado auxiliar, se utilizan los interruptores centrfugos acoplados en el eje del motor. Los bobinados se conectan en paralelo a la placa de bornes. Como se ha explicado, el motor monofsico tiene un rendimiento, par de arranque y factor de potencia algo bajos. Para compensar dichos valores, se recurre a conectar en serie con el bobinado auxiliar un condensador electroltico, con lo que se consiguen valores de rendimiento y par de arranque mucho mejores. Esquema de conexiones para la puesta en marcha de un motor monofsico de corriente alterna de forma manual.Esquema de motor monofsico con bobinado auxiliar y condensador.Esquema de motor monofsico con bobinado auxiliar.

La puesta en marcha se realiza mediante un interruptor bipolar manual adecuado a la intensidad del motor. Para invertir el sentido de giro, es necesario invertir las conexiones de uno de los bobinados del motor en la placa de bornes del motor No confundir con invertir las conexiones de la alimentacin ya que, en ese caso, el motor sigue girando en el mismo sentido. Esquema de conexiones para invertir el sentido de giro de un motor monofsico con bobinado.

En los motores actuales, las bobinas de arranque se conectan con la red a travs de un condensador en serie que, a la frecuencia de la red y la velocidad nominal del motor, produce un desfase tal entre las corrientes de los devanados de arranque y servicio que se hace innecesario desconectarlas, por lo que estos motores ya no necesitan incorporar el interruptor centrfugo simplificando su constitucin y funcionamiento. Existe una forma ms sencilla de invertir el giro para estos motores.Esquema de conexiones para invertir el sentido de giro de un motor monofsico con bobinado auxiliar de funcionamiento permanente.

Motor monofsico de espira en cortocircuito

Constitucin y principio de funcionamientoEl motor de espira en cortocircuito est constituido por un esttor de polos salientes y un rotor de jaula de ardilla. En la masa polar se incorpora una espira en cortocircuito que abarca un tercio aproximadamente del polo, las bobinas rodean las masas polares.

Esquema de motor monofsico de espira en cortocircuito.

Al alimentar las bobinas polares con una corriente alterna se produce un campo magntico alterno en el polo que por s solo no es capaz de poner en marcha el motor. El flujo que atraviesa la espira genera en esta una fuerza electromotriz inducida que hace que circule una corriente de elevado valor por la espira. Esto a su vez crea un flujo propio que se opone al flujo principal. En estas condiciones se obtiene un sistema de dos flujos en el que el flujo propio estar en retraso respecto del flujo principal, haciendo que el motor gire.Flujos creados en el motor de espira en cortocircuito.

El sentido de giro ser siempre el que va desde el eje del polo hacia la espira en cortocircuito colocada en el mismo. Si por algn motivo necesitsemos invertir el giro, tendramos que desmontar el motor e invertir todo el conjunto del rotor manteniendo la posicin del esttor.Dado que estos motores tienen un rendimiento muy bajo, su utilizacin se limita a pequeas potencias de hasta 300 W y para trabajos de ventilacin, bombas de desages de electrodomsticos, etc.

Motor universalConstitucin y principio de funcionamiento

Es un motor monofsico que puede funcionar tanto en corriente continua como alterna. Su constitucin es esencialmente la del motor serie de corriente continua, y sus caractersticas de funcionamiento son anlogas.

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