TEMA 7 MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA1. Introducción

1.1 Motores monofásicos y trifásicos

1.2 Motores síncronos y asíncronos o de inducción2. Motores asíncronos trifásicos

2.1 Constitución2.2 Funcionamiento2.3 Velocidad de giro2.4 Intensidad de

arranque y par motor2.5 Rendimiento y

potencia2.6 Placa de bornes y

placa de características2.7 Control de la

velocidad de giro2.8 Cambio del sentido de

giro2.9 Sistemas de paro y

freno

3. Motores de corriente continua3.1 Constitución3.2 Funcionamiento3.3 Arranque de un motor

asíncrono monofásico4. Motores universales

5. Averías y daños

1. INTRODUCCIÓN1.1 Motores monofásicos y trifásicos

Los motores de CA son los más utilizados tanto en el ámbito doméstico como en la industria. Los motores de CC son superiores a los de CA en cuanto a trabajo a velocidades variables, pero aún así es preferible utilizar los de CA dado su sencillez como por la accesibilidad y trabajo para grandes cargas.Clasificación, según el nº de líneas o fases:

Monofásicos: alimentados por una solo línea, pueden funcionar a diferentes voltajes.

Bifásicos: alimentados por dos líneas, funcionan a 230 V.Trifásicos: tres líneas trabajan a 380 V.

VIDEOS y WEB’s:Electromagnetismo, generación de CA:http://youtu.be/nRMZ3K2pzcEDemostración tres fases en motor de CA:http://youtu.be/P-eTLmJC2cQFuncionamiento y partes de un motor asíncrono trifásico:http://youtu.be/Lv9_04UlV4sAlimentación de motores en ferrocarriles:http://es.wikipedia.org/wiki/Catenaria_%28ferrocarril%29Tres videos sobre el funcionamiento de los motores trifásicos para entender el movimiento rotatorio del campo magnético:http://fermoya.com/electrotecnia/recursos/162-motores-trifasicos-de-corriente-alterna.htmlAnimación en flash para entender el movimiento rotatorio del campo magnético:http://www.edumedia-sciences.com/es/a499-motor-a-corriente-alterna

1.2 Motores síncronos o asíncronos de inducciónLos motores y generadores se pueden clasificar según la relación

entre la velocidad del campo magnético generado en el estator y la velocidad de giro del rotor: Síncronos y Asíncronos.Generadores y motores síncronos:●Cuando la velocidad de giro del campo magnético del estator es igual a la velocidad de giro del rotor.●Velocidad de rotación=cte, depende del la f (Hz)●El rotor es el inductor alimentado en CC, el estator el inducido en CA●Generadores síncronos: centrales de producción de EE, aviones, barcos…●Motores síncronos: no se utilizan casi en la industria dado que pocas aplicaciones utilizan v=cte, tampoco dado su ↓ par de arranque.Generadores y motores asíncronos:●Cuando la velocidad de giro del campo magnético del estator es superior a la velocidad de giro del rotor.●No tienen colector, el estator conectado a la red actúa como inductor, el rotor trabaja por inducción, no recibe corriente.●Generadores asíncronos: no se utilizan.●Motores asíncronos: los que más se utilizan en la industria (90%), trabajan a v=cte, aunque electrónicamente se puede variar la velocidad.

2. Motores asíncronos trifásicosLos más utilizados por las máquinas industriales, reciben EE en 3 fases.Uso industrial generalizado dado por: robustez, poco peso, construción sencilla, poco volumen, fácil mantenimiento y bajo precio.

2.1 ConstituciónEstator: parte fija, dispone de una carcasa donde en el interior se dispone una corona de chapas de acero con ranuras longitudinales donde se arrollan tres bobinas inductoras desfasadas 120º, y los extremos de las cuales están conectadas a la placa de bornes, desde donde se conecta a la red trifásica.

Rotor: parte móvil, situado al interior del estator, es el inducido, montado en cortocircuito. Hay dos tipos:

● Jaula de ardilla, con barras de cobre o Al, acopladas sobre dos coronas del mismo material, que son anillos de cortocircuito; aspecto del cual parece una jaula, el interior se disponen de unas chapas ferromagnéticas apiladas (para ↑ en campo). Montaje más sencillo que en los motores de CC

● Bobinado, el devanado está formado por un bobinado trifásico parecido al del estator, con idéntico nº de polos y conectados en cortocircuito. Es más caro y menos robusto pero las características del circuito eléctrico se pueden modificar desde el exterior, tanto el Voltaje como la I, de manera que electrónicamente se puede varias la velocidad.

2.2 Funcionamiento motores CAEl principio científico de funcionamiento es el mismo que en los de CC●1º- La corriente alterna trifásica se conecta a motor por las bobinas inductoras del estator para generar el campo magnético, que en este caso (CA) es giratorio.●2º- En los conductores que forman el rotor aparecen corrientes eléctricas inducidas, como consecuencia del campo magnético giratorioDisponemos de un campo magnético giratorio y en su interior unos conductores recorridos por una corriente eléctrica inducida, y en consecuencia en estos conductores se ejercerán fuerzas electromagnéticas.En cada bobina se crea un campo que crece y disminuye, en cada bobina desfasadas; en consecuencia se crea un campo variable que va girando. Fig:

2.3 Velocidad de giroSe distinguen dos velocidades de giro: la del campo magnético y la del rotor.

●La velocidad de giro del campo magnético, n1:

n1= 60·f/pn1 (rpm)60 (para pasar a minutos)f (frecuencia en Hz)P (nº del par de polos del motor)

●La velocidad de giro del rotor, n2:

No puede ser n1=n2, pues no se ejercerían fuerzas electromagnéticas sobre los conductores del rotor, por eso se llama asíncronos. En consecuencia se produce lo que se llama deslizamiento:Absoluto D:

D=n1-n2

Relativo d:d= (n1-n2)/n1 · 100

2.4 Intensidad de arranque y par motor

●En el instante del encendido: v~0, Ia=6In, Ma=1’5Mn●Durante el periodo de aceleración: ↓I progresivamente, el M ↓ al inicio pero luego se hace máximo al 75% de la velocidad.●Cuando se llega al valor nominal de velocidad: In~0 y Mn~0.El arranque de este tipo de motores de CA puede ser:Arranque directo, las bobinas del estator se conectan directamente a la red, así el par de encendido es elevado, pero la Ia en el momento del arranque puede ocasionar distorsiones en la red.Arranque indirecto, se intercalan entre las bobinas inductoras (estator) y la red elementos que hagan ↓I en el arraque, como R, C, autotransformadores. Con ello se evitan distorsiones en la red pero por el contrario ↓ M de arranque, una vez encendido se elimina la conexión de estos elementos y la conexión es directa.

Características de un motor asíncrono trifásico:●Son sencillos, robustos, de fácil mantenimiento y baratos.●Pueden arrancar con plena carga, ya que en este instante desarrollan un par motor muy elevado.●Poseen un par de arranque elevado con el encendido directo aunque se absorbe una I elevada (Ia=6·In). Para disminuirla hay que arrancar con encendido indirecto pero el par disminuye.●Poseen un buen rendimiento.

2.5 Rendimiento y potenciaRendimiento:

η=Eu/Eabs = Pu/Pabs

En el caso de los motores de CA, el calculo de la potencia implica el estudio del triangulo de potencias formado por tres componentes: potencia activa, reactiva y aparente.La potencia activa o absorbida: representa la capacidad de un circuito en transformar la EE en trabajo, es la que realmente consumen en los circuitos los elementos resistivos.

P=√3·UL·IL·cosφ (W)Potencia reactiva: aparece cuando existen bobinas o condensadores, no produce trabajo útil y no se consume; es la necesaria para producir los campos magnéticos y electricos.

Q=√3·UL·IL·sinφ (VAR)Potencia aparente, total o compleja: es la suma vectorial de la potencia activa y la reactiva. Es la energía que disipa en circuito en un determinado tiempo en forma de calor o trabajo. NO se consume excepto cuando el factor de potencia=1 (cosφ=1).

S=P+Q=√3·UL·IL

S=√P2+Q2 cosφ=P/S

Pérdidas de potencia

Pérdidas en un motor: perdidas eléctricas (estator y rotor), perdidas magnéticas, perdidas mecánicas y pérdidas adicionales.Pérdidas eléctricas, PCu (1-estator 2-rotor): en el cobre, debidas al calentamiento por efecto Joule:

Pcu1= 3·I12·R1 Pcu2= 3·I2

2·R2

Pérdidas magnéticas, PFe: en el hierro por fenómenos de histéresi (mag. del Fe). También se conocen como pérdidas en vacío. PFe1 PFe2

Potencia electromagnética, Pem (Pei), en el rotor o potencia síncrona, Ps:

Pem= Ps = Pabs- Pcu1 - PFe1

Pérdidas mecánicas, Pmec: por rozamiento y ventilación.

Pmec = Ps- Pcu2 – PFe2

Pérdidas adicionales, Padic: despreciables son de aprox. 1%.

Potencia perdida → Pp=Pcu+Pfe+Pmec+Padic

Pabs = Pu+Pcu+Pfe+Pmec+Padic = Pu+Pp

2.6 Placa de bornes y placa de características

La placa de bornes dispone de 6 conexiones: U-V-W y X-Y-Z que corresponden a los extremos iniciales y finales de las bobinas inductoras del estator.Para arrancar hay que conectarlas entre sí para efectuar la conexión a la red, estas conexiones se pueden hacer de dos maneras:●Conexión en estrella: U-V-W a la red y X-Y-Z entre sí. En este caso las corrientes de fase y las corrientes de línea son iguales y los voltages de línea son √3 veces más grandes que los voltages de fase y están avanzados 30º, por tanto entre las bobinas hay 120º

IL=IF UF=UL/√3Pabs=3·UF·IF·cosφ Pabs=√3·UL·IL·cosφ

●Conexión en triángulo: se conecta el final de cada bobina con el inicial de la siguiente (X con V, Y con W, Z con V) y después cada conexión a la red. En este caso los voltages de fase línea son iguales y las corrientes de fase son √3 veces más pequeños que las corrienes de línea y están avanzados 30º, por tanto entre las bobinas hay 60º

UL=UF IF=IL/√3Pabs=3·UF·IF·cosφ Pabs=√3·UL·IL·cosφ

Placa de característicasNos indica los valores nominales de funcionamiento en condiciones normales.También se puede presentar en forma de tabla, indicando: Nº polos, Potencia (Kw), velocidad (rpm), par motor Ma, Mn (N·m), rendimiento (ƞ).

2.7 Control de la velocidad de giroLos motores de CA asíncronos tienen las mismas prestaciones que los de CC pero con un mantenimiento y consumo menor, por estas razones el control es prioritario.Recordemos: la velocidad de giro del campo magnético, n1:

n1= 60·f/p

Partiendo de la velocidad de giro del campo magnético, se puede actuar de diferentes maneras:●Modificando la frecuencia: mediante un convertidor o variador electrónico de la frecuencia, estático y alimentado por la red de CA 3F. El convertidor también puede variar el Voltaje aplicado de manera que ajusta el par M necesario en cada momento para evitar sobrecalentamientos. De esta manera se consigue una variación de la velocidad continua y controlada.●Modificando el número de par de polos: si ↑ nº de par de polos → ↓velocidad. Para ello se utilizan conexiones conmutablespara cambiar el nº de polos. Lo normal es tener dos velocidades: una conexión corta (nº de polos fijo) y una larga (con el doble nº de polos).●Modificando el valor de deslizamiento: con conexiones especiales (cascada,Kramer,..) o reduciendo el voltaje del estator con semiconductores, autotransformadores, resistencias …●Modificando la resistencia en el rotor: caso único para los rotores bobinados, mediante la introducción de R externas para disipar energía.

2.8 Cambio del sentido de giroEl cambio de giro se efectúa cambiando dos de las fases en la placa de bornes, de esta manera, la rotación del campo magnético se invierte y en consecuencia el rotor.

2.9 Sistemas de paro y frenoDos sistemas:●Frenada dinámica o reostática: utiliza una R o un grupo de R externasen el variador de frecuencia para absorber el exceso de EE y disiparla en forma de calor. Sencillo y robusto.●Frenada regenerativa, el motor cambia a producir EE, actuando como generador, que se vuelve a la red de alimentación para ser consumida por otros receptores.

3. Motores asíncronos monofásicosLos más utilizados por electrodomésticos y pequeñas maquinas herramienta de poca potencia, reciben EE en 2 hilos y la transforman en E mecánica.3.1 ConstituciónSimilar a los motores asíncronos trifásicos, en general disponen de un rotor de jaula de ardilla y un estator con las bobinas inductoras (una sola?).

3.2 FuncionamientoExperiencia: si en un motor CA asíncrono trifásico funcionando en plena carga a velocidad del rotor n2, si en ese momento desconectamos la alimentación de una fase, el motor continúa girando a n2 → hemos convertido ese motor trifásico en monofásico. Pero si el motor trifásico está parado y desconectamos una fase el motor no arranca.

3.3 Encendido de un motor asíncrono monofásicoDe la experiencia anterior de deducimos que para ponerse en marcha necesitan de un elemento auxiliar, estos elementos pueden ser de dos tipos: bobinado auxiliar o espira en cortocircuito.Bobinado auxiliar:●Estos motores disponen de dos bobinas, una principal de trabajo T, conectada a la red, y una auxiliar A que permite el arranque.●Cuando el motor a arrancado y el rotor adquiere su velocidad nominal, el bobinado auxiliar se desconecta●Para motores de poca potencia: veniladores, bombas centrífugas…●Para motores de potencia superior (0.15 ~0.75 kW) se conecta un condensador en serie con el bobinado auxiliar A para conseguir un par de arranque más alto.

Espira en cortocircuito:●Estos motores disponen de un rotor el jaula de ardilla y un estator con polos salientes (cabezas similares a los de CC).●Cada uno de los polos tiene su bobina inductora B más un espira en cortocircuito E, donde se producen corrientes inducidos que permiten el arranque.●De potencia y par reducidos.●Para electrodomésticos con poca carga como ventiladores, secadores…

4 Motores universalesPueden conectarse indistintamente a la red de CC o CA.Su constitución es similar a la de un motor serie de CC.Ventajas:●Funcionan indistintamente a la red de CC o CA●Elevado par de arranque, permiten conectarlos a plena carga, aunque no se embala●La velocidad se adapta a la carga: a más carga menor velocidad. rpm elevadas●Para cualquier velocidad de giro con potenciómetro●Una variante el la del motor universal con imán permanente (juguetes)

5 Averías y daños●Alteraciones del suministro eléctrico●Trabajo mecánico asociado al motor●Condiciones de la instalación eléctrica●Problemas inherentes a la construcción del motor●Protección: relés térmicos, magnetotérmicos, contactores