PROPUESTA DE SECUENCIA DIDÁCTICA: EL MOTOR ELÉCTRICO CON COMPÁS Y ESCUADRA

Ponencia presentada por Gabriel Ángel Medina

Unidad de Cultura Tecnológica N° 2. Esquel. Chubut

gronenet@hotmail.com

Esta secuencia fue desarrollada con alumnos de segundo año del polimodal del espacio curricular “Tecnología de la energía”, en la orientación de Bienes y Servicios del Colegio Provincial Nº 701 de la ciudad de Esquel, provincia del Chubut, en el año 2003. Cabe señalar que este grupo de alumnos llega al segundo año del polimodal sin manejar números complejos, lo cual implica un obstáculo para el desarrollo de algunos contenidos del área. Fundamentación:

La vida moderna sería impensable sin la existencia de los motores; éstos se encuentran en todas partes: en la industria, el transporte, el hogar, etc. Miremos donde miremos, podemos encontrar una máquina que funcione con un motor. Estamos acostumbrados –pero, no nos damos cuenta– a un tipo particular de motor: el de los motores eléctricos, pues éstos están en muchos de los aparatos que ocupamos en nuestro hogar —refrigerador, lavadora, licuadora, relojes de pared, etc. Debido a la importancia que tienen en nuestra vida cotidiana y teniendo en cuenta la orientación industrial de la modalidad, consideramos necesario que los jóvenes conozcan la estructura de estos motores y los principios físicos involucrados en su funcionamiento. Si bien no es menester principal del área “Tecnología de la Energía” profundizar en el funcionamiento de este elemento, es conveniente que los estudiantes tengan una idea de por qué gira un motor, a la hora de hacer un análisis de producto, y no verlo sólo como una caja negra que, mágicamente, produce un movimiento cuando se le aplica una tensión.

INSTITUTO NACIONAL DE EDUCACIÓN TECNOLÓGICA. MINISTERIO DE EDUCACIÓN, CIENCIA Y TECNOLOGÍA. BUENOS AIRES. REPÚBLICA ARGENTINA.

EDUCACIÓN TECNOLÓGICA. DIEZ AÑOS DE CONSTRUCCIÓN

Muchas veces hemos intentado explicar el funcionamiento de un motor asincrónico trifásico diciendo: “Si se aplican tres tensiones alternas desfasadas 120º una de la otra, a tres devanados orientados a 120º uno del otro, se obtiene un campo magnético giratorio”. Y, a partir de este principio, os alumnos deben imaginarse cómo tres magnitudes que varían en el tiempo constituyen algo que gira, sin ningún elemento concreto con qué relacionarlo. Para superar esta dificultad hemos diseñado esta experiencia. Cabe acotar que el presente no es un tratado de máquinas eléctricas ni cosa que se le parezca; sólo es un aporte didáctico a la enseñanza acerca del principio de funcionamiento de un motor eléctrico (elegimos el asíncrono como motor más simple para su comprensión). Presentación de la experiencia: Para el área de la tecnología, el motor tiene dos concepciones: • Desde el punto de vista de la energía, es un conversor que transforma

energía eléctrica a energía mecánica, con pérdidas (son, en realidad, transformaciones del flujo de energía que no son aprovechadas: calor y ruido).

ENERGÍA MECÁNICA

MOTOR ELÉCTRICO

ENERGÍA ELÉCTRICA

RUIDO CALOR

• Y, desde el punto de vista de control, el motor eléctrico es un actuador que recibe una señal y produce un movimiento.

Conocimientos previos: Los alumnos deben manejar conceptos básicos de ley de ohm, electrotecnia, funciones trigonométricas, magnetismo y suma de vectores; éstos se consideran imprescindibles para el desarrollo del presente proyecto. Materiales: También se considera necesario contar con un compás, dos escuadras, tizas de color y un transportador

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Consigna: Demostrar de manera fehaciente, por qué gira un motor trifásico. Desarrollo: Dibujemos un motor teórico, compuesto por tres bobinas orientadas desde el centro y separadas 120º una de la otra, como muestra la figura.

Para dibujar el motor, conviene marcar, primero, la circunferencia y luego, marcar los puntos R, S y T. Para eso, sin mover la apertura del compás, trazamos dos radios consecutivos hacia la derecha, partiendo del punto R, para obtener el punto S. Luego, hacemos lo mismo hacia la izquierda para obtener el punto T.

R

S T

o

Punto inicial de apoyo del compás

120º

120º 120º

A efectos gráficos, vamos a considerar que cada bobina produce un campo magnético que representamos con un vector y cuyo sentido depende de la tensión aplicada en términos instantáneos. Además, vamos a establecer un sentido arbitrario para el sentido de los campos: “Las tensiones de valor negativas son consideradas entrantes”, respecto del eje del motor; o sea, desde afuera del motor hacia adentro. Y, consecuentemente, “Las tensiones de valor positivas serán consideradas como salientes”, desde el centro del motor hacia fuera. Luego. trazamos –al costado del motor– tres sinusoides desfasadas 120º una de la otra y tomando como valor de pico el radio de la circunferencia. Éstas corresponden a la tensión de alimentación. Cada color identifica una fase distinta, tanto en el trazado de las sinusoides como en el esquema del motor.

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S T

o

1

360º 0º 180º

t

R

Entonces, trazamos el primer punto de análisis “1”, a partir del cual vamos a hallar el campo magnético resultante para ese instante. Tomamos con el compás el valor de R, en la sinusoide, y lo trasladamos al centro del motor –siempre considerando el sentido del vector con respecto a la posición relativa de la bobina–. En el ejemplo, R tiene un valor negativo y, por lo tanto, lo planteamos como entrante. Lo mismo pasa con T. Pero, S tiene como valor el máximo positivo y, por lo tanto, el sentido asignado es inverso, saliente. Posteriormente, nos preparamos para efectuar la suma de vectores, trasladando primero los vectores cuyo punto de aplicación no coincida con el eje del motor:

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S T

o

R

Acto seguido, sólo resta hacer la suma por la regla del paralelogramo, funicular o cualquier otro método. Obtenemos una resultante que llamaremos igual que el punto de análisis “1” Y ya obtenemos la resultante del primer punto de análisis. Cabe recordar que este vector corresponde a la sumatoria de los campos magnéticos de cada bobina en un instante elegido arbitrariamente en el punto “1”. Esto no significa que los campos correspondientes a las bobinas R y T desaparecen en este instante ni nada parecido (No debemos perder la perspectiva de que este es solamente un análisis simplista de un motor). Luego, repetimos el procedimiento sobre el punto que denominaremos “2”. Conviene tomar un valor conocido para el ángulo del segundo respecto del primero, ya que esto puede ser utilizado en una reflexión posterior. Para este caso, elegimos 60º de diferencia entre el puno “1” y el punto “2”, sobre la sinusoide. Esta vez R es negativo y de máximo valor; por lo tanto, se plantea como entrante, mientras T y S son positivos –o sea, saliente– y de menor valor.

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R

S T

o S

T

o

1

R

S T

o

1

180º 360º 0º

t

2

R

Ahora sólo resta repetir el procedimiento anterior, para obtener un nuevo punto como resultante. Esta vez, resuelto por el método del polígono funicular.

S T

o

2

1

R

S T

o

R

Conclusión: Finalmente vemos –a través de un análisis vectorial que se podría repetir infinitas veces– cómo se forma un campo magnético que va girando en función del tiempo. También podemos ver que este motor gira en sentido horario. Del comportamiento del rotor en cortocircuito o bobinado, no se hace referencia en el presente, ya que constituye una temática en sí misma. Consignas para trabajo adicional: Luego de terminado el análisis de base, podemos preguntarnos: − ¿Qué pasa si conectamos una bobina al revés? (Tomar las tensiones

invertidas sobre un devanado) − ¿Qué pasa si invertimos 2 de las fases de alimentación? − ¿Qué pasa si invertimos las tres fases? − ¿Qué pasa si falta una fase? − ¿Cómo afecta la reducción de la tensión en una de las fases?

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− ¿Cómo afecta la variación de la frecuencia, al funcionamiento del motor? Variante: El presente sistema de análisis puede aplicarse también a un motor monofásico. En este caso deberá considerarse el defasaje constructivo, como así también el defasaje capacitivo que contribuye a su arranque. Bibliografía: Ing. A. V. Königslöw. Máquinas de corriente alterna sincrónicas. Editorial Labor S.A. 1965. Ing. Marcelo A. Sobrevila. Electrotecnia nivel inicial. Editorial Alsina. 2000. Julio J. Daponte. Principios de electrotecnia. Editorial Mitre 1983.

Esquel, agosto de 2004.-

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