José Andrés Novillo García

CME2º

HISTORIA, ONDA SENOIDAL Y VALORES SIGNIFICATIVOS.

GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA (ALTERNADORES)

MEDIDAS DE CORRIENTE ALTERNA.

ADAPTACION DE UN MOTOR A LA RED MONOFASICA.

CARACTERISTICAS CORRIENTE ALTERNA.

MAQUINA SINCRONA.

MAQUINA ASINCRONA.

TIPOS DE MOTORES CORRIENTE ALTERNA.

MAQUINA ASINCRONA TRIFASICA.

MOTOR TRIFASICO ASINCRONO (JAULA DE ARDILLA)

Historia

En 1882 el físico, matemático, inventor e ingeniero Nikola Tesla, diseñó y construyó el primer motor de inducción de CA. Posteriormente el físico William Stanley, reutilizó, en 1885, el principio de inducción para transferir la CA entre dos circuitos eléctricamente aislados. La idea central fue la de enrollar un par de bobinas en una base de hierro común, denominada bobina de inducción. De este modo se obtuvo lo que sería el precursor del actual transformador. El sistema usado hoy en día fue ideado fundamentalmente por Nikola Tesla; la distribución de la corriente alterna fue comercializada por George Westinghouse. Otros que contribuyeron en el desarrollo y mejora de este sistema fueron Lucien Gaulard, John Gibbs y Oliver Shallenger entre los años 1881 y 1889. La corriente alterna superó las limitaciones que aparecían al emplear la corriente continua (CC), el cual es un sistema ineficiente para la distribución de energía a gran escala debido a problemas en la transmisión de potencia, comercializado en su día con gran agresividad por Thomas Edison.

La primera transmisión interurbana de la corriente alterna ocurrió en 1891, cerca de Telluride, Colorado, a la que siguió algunos meses más tarde otra en Alemania. A pesar de las notorias ventajas de la CA frente a la CC, Thomas Edison siguió abogando fuertemente por el uso de la corriente continua, de la que poseía numerosas patentes (véase la guerra de las corrientes). De hecho, atacó duramente a Nikola Tesla y a George Westinghouse, promotores de la corriente alterna, a pesar de lo cual ésta se acabó por imponer. Así, utilizando corriente alterna, Charles Proteus Steinmetz, de General Electric, pudo solucionar muchos de los problemas asociados a la producción y transmisión eléctrica, lo cual provocó al fin la derrota de Edison en la batalla de las corrientes, siendo su vencedor George Westinghouse, y en menor medida, Nikola Tesla.

Las matemáticas y la CA senoidal

Algunos tipos de ondas periódicas tienen el inconveniente de no tener definida su expresión matemática, por lo que no se puede operar analíticamente con ellas. Por el contrario, la onda senoidal no tiene esta indeterminación matemática y presenta las siguientes ventajas:

• La función seno está perfectamente definida mediante su expresión analítica y gráfica. Mediante la teoría de los números complejos se analizan con suma facilidad los circuitos de alterna.

• Las ondas periódicas no senoidales se pueden descomponer en suma de una serie de ondas senoidales de diferentes frecuencias que reciben el nombre de armónicos. Esto es una aplicación directa de las series de Fourier.

• Se pueden generar con facilidad y en magnitudes de valores elevados para facilitar el transporte de la energía eléctrica.

• Su transformación en otras ondas de distinta magnitud se consigue con facilidad mediante la utilización de transformadores.

Onda sinusoidal

Una señal sinusoidal, a (t), tensión, v (t), o corriente, i (t), se puede expresar matemáticamente según sus parámetros característicos (figura 2), como una función del tiempo por medio de la siguiente ecuación:

A0 es la amplitud en voltios o amperios (también llamado valor máximo o de pico),

ω la pulsación en radianes/segundo,

t el tiempo en segundos, y

β el ángulo de fase inicial en radianes.

Dado que la velocidad angular es más interesante para matemáticos que para ingenieros, la fórmula anterior se suele expresar como:

Donde f es la frecuencia en hercios (Hz) y equivale a la inversa del período. Los valores más empleados en la distribución son 50 Hz y 60 Hz.

Valores significativos

A continuación se indican otros valores significativos de una señal sinusoidal:

• Valor instantáneo (a (t)): Es el que toma la ordenada en un instante, t, determinado.

• Valor pico a pico (App): Diferencia entre su pico o máximo positivo y su pico negativo. Dado que el valor máximo de sen(x) es +1 y el valor mínimo es -1, una señal sinusoidal que oscila entre +A0 y -A0. El valor de pico a pico, escrito como AP-P, es por lo tanto (+A0)-(-A0) = 2×A0.

• Valor medio (Amed): Valor del área que forma con el eje de abcisas partido por su período. El área se considera positiva si está por encima del eje de abcisas y negativa si está por debajo. Como en una señal sinusoidal el semiciclo positivo es idéntico al negativo, su valor medio es nulo. Por eso el valor medio de una onda sinusoidal se refiere a un semiciclo. Mediante el cálculo integral se puede demostrar que su expresión es la siguiente:

• Valor eficaz (A): su importancia se debe a que este valor es el que produce el mismo efecto calorífico que su equivalente en corriente continua. Matemáticamente, el valor eficaz de una magnitud variable con el tiempo, se define como la raíz cuadrada de la media de los cuadrados de los valores instantáneos alcanzados durante un período:

En la literatura inglesa este valor se conoce como R.M.S. (root mean square, valor cuadrático medio), y de hecho en matemáticas a veces es llamado valor cuadrático medio de una función. En el campo industrial, el valor eficaz es de gran importancia ya que casi todas las operaciones con magnitudes energéticas se hacen con dicho valor. De ahí que por rapidez y claridad se represente con la letra mayúscula de la magnitud que se trate (I, V, P, etc.). Matemáticamente se demuestra que para una corriente alterna senoidal el valor eficaz viene dado por la expresión:

El valor A, tensión o intensidad, es útil para calcular la potencia consumida por una carga. Así, si una tensión de corriente continua (CC), VCC, desarrolla una cierta potencia P en una carga resistiva dada, una tensión de CA de Vrms desarrollará la misma potencia P en la misma carga si Vrms = VCC.

Para ilustrar prácticamente los conceptos anteriores se considera, por ejemplo, la corriente alterna en la red eléctrica doméstica en Europa: cuando se dice que su valor es de 230 V CA, se está diciendo que su valor eficaz (al menos nominalmente) es de 230 V, lo que significa que tiene los mismos efectos caloríficos que una tensión de 230 V de CC. Su tensión de pico (amplitud), se obtiene despejando de la ecuación antes reseñada:

Así, para la red de 230 V CA, la tensión de pico es de aproximadamente 325 V y de 650 V (el doble) la tensión de pico a pico.

Su frecuencia es de 50 Hz, lo que equivale a decir que cada ciclo de la onda sinusoidal tarda 20 ms en repetirse. La tensión de pico positivo se alcanza a los 5 ms de pasar la onda por cero (0 V) en su incremento, y 10 ms después se alcanza la tensión de pico negativo. Si se desea conocer, por ejemplo, el valor a los 3 ms de pasar por cero en su incremento, se empleará la función sinsoidal:

Representación fasorial

Una función senoidal puede ser representada por un vector giratorio (figura 3), al que se denomina fasor o vector de Fresnel, que tendrá las siguientes características:

• Girará con una velocidad angular ω.

• Su módulo será el valor máximo o el eficaz, según convenga.

La razón de utilizar la representación fasorial está en la simplificación que ello supone. Matemáticamente, un fasor puede ser definido fácilmente por un número complejo, por lo que puede emplearse la teoría de cálculo de estos números para el análisis de sistemas de corriente alterna.

Consideremos, a modo de ejemplo, una tensión de CA cuyo valor instantáneo sea el siguiente:

Tomando como módulo del fasor su valor eficaz, la representación gráfica de la anterior tensión será la que se puede observar en la figura 4, y se anotará:

Denominadas formas polares, o bien:

Denominada forma binómica.

GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA (ALTERNADORES)

Un generador simple sin conmutador producirá una corriente eléctrica que cambia de sentido a medida que gira la armadura. Este tipo de corriente alterna es ventajosa para la transmisión de potencia eléctrica, por lo que la mayoría de los generadores eléctricos son de este tipo. En su forma más simple, un generador de corriente alterna se diferencia de uno de corriente continua en sólo dos aspectos: los extremos de la bobina de su armadura están sacados a los anillos colectores sólidos sin segmentos del árbol del generador en lugar de los conmutadores, y las bobinas de campo se excitan mediante una fuente externa de corriente continua más que con el generador en sí. Los generadores de corriente alterna de baja velocidad se fabrican con hasta 100 polos, para mejorar su eficiencia y para lograr con más facilidad la frecuencia deseada. Los alternadores accionados por turbinas de alta velocidad, sin embargo, son a menudo máquinas de dos polos. La frecuencia de la corriente que suministra un generador de corriente alterna es igual a la mitad del producto del número de polos por el número de revoluciones por segundo de la armadura.

A veces, es preferible generar un voltaje tan alto como sea posible. Las armaduras rotatorias no son prácticas en este tipo de aplicaciones, debido a que pueden producirse chispas entre las escobillas y los anillos colectores, y a que pueden producirse fallos mecánicos que podrían causar cortocircuitos. Por tanto, los alternadores se construyen con una armadura fija en la que gira un rotor compuesto de un número de imanes de campo. El principio de funcionamiento es el mismo que el del generador de corriente alterna, excepto en que el campo magnético (en lugar de los conductores de la armadura) está en movimiento.

La corriente que se genera mediante los alternadores aumenta hasta un pico, cae hasta cero, desciende hasta un pico negativo y sube otra vez a cero varias veces por segundo, dependiendo de la frecuencia para la que esté diseñada la máquina. Este tipo de corriente se conoce como corriente alterna monofásica. Sin embargo, si la armadura la componen dos bobinas, montadas a 90º una de otra, y con conexiones externas separadas, se producirán dos ondas de corriente, una de las cuales estará en su máximo cuando la otra sea cero. Este tipo de corriente se denomina corriente alterna bifásica. Si se agrupan tres bobinas de armadura en ángulos de 120º, se producirá corriente en forma de onda triple, conocida como corriente alterna trifásica. Se puede obtener un número mayor de fases incrementando el número de bobinas en la armadura, pero en la práctica de la ingeniería eléctrica moderna se usa sobre todo la corriente alterna trifásica, con el alternador trifásico, que es la máquina dinamoeléctrica que se emplea normalmente para generar potencia eléctrica.

MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA

Se diseñan dos tipos básicos de motores para funcionar con corriente alterna polifásica: los motores síncronos y los motores de inducción. El motor síncrono es en esencia un alternador trifásico que funciona a la inversa. Los imanes del campo se montan sobre un rotor y se excitan mediante corriente continua, y las bobinas de la armadura están divididas en tres partes y alimentadas con corriente alterna trifásica. La variación de las tres ondas de corriente en la armadura provoca una reacción magnética variable con los polos de los imanes del campo, y hace que el campo gire a una velocidad constante, que se determina por la frecuencia de la corriente en la línea de potencia de corriente alterna.

La velocidad constante de un motor síncrono es ventajosa en ciertos aparatos. Sin embargo, no puede utilizarse este tipo de motores en aplicaciones en las que la carga mecánica sobre el motor llega a ser muy grande, ya que si el motor reduce su velocidad cuando está bajo carga puede quedar fuera de fase con la frecuencia de la corriente y llegar a pararse. Los motores síncronos pueden funcionar con una fuente de potencia monofásica mediante la inclusión de los elementos de circuito adecuados para conseguir un campo magnético rotatorio.

El más simple de todos los tipos de motores eléctricos es el motor de inducción de caja de ardilla que se usa con alimentación trifásica. La armadura de este tipo de motor consiste en tres bobinas fijas y es similar a la del motor síncrono. El elemento rotatorio consiste en un núcleo, en el que se incluye una serie de conductores de gran capacidad colocados en círculo alrededor del árbol y paralelos a él. Cuando no tienen núcleo, los conductores del rotor se parecen en su forma a las jaulas cilíndricas que se usaban para las ardillas. El flujo de la corriente trifásica dentro de las bobinas de la armadura fija genera un campo magnético rotatorio, y éste induce una corriente en los conductores de la jaula. La reacción magnética entre el campo rotatorio y los conductores del rotor que transportan la corriente hace que éste gire. Si el rotor da vueltas exactamente a la misma velocidad que el campo magnético, no habrá en él corrientes inducidas, y, por tanto, el rotor no debería girar a una velocidad síncrona. En funcionamiento, la velocidad de rotación del rotor y la del campo difieren entre sí de un 2 a un 5%. Esta diferencia de velocidad se conoce como caída.

Los motores con rotores del tipo jaula de ardilla se pueden usar con corriente alterna monofásica utilizando varios dispositivos de inductancia y capacitancia, que alteren las características del voltaje monofásico y lo hagan parecido al bifásico. Estos motores se denominan motores multifásicos o motores de condensador (o de capacidad), según los dispositivos que usen. Los motores de jaula de ardilla monofásicos no tienen un par de arranque grande, y se utilizan motores de repulsión-inducción para las aplicaciones en las que se requiere el par. Este tipo de motores pueden ser multifásicos o de condensador, pero disponen de un interruptor manual o automático que permite que fluya la corriente entre las escobillas del conmutador cuando se arranca el motor, y los circuitos cortos de todos los segmentos del conmutador, después de que el motor alcance una velocidad crítica. Los motores de repulsión-inducción se denominan así debido a que su par de arranque depende de la repulsión entre el rotor y el estator, y su par, mientras está en funcionamiento, depende de la inducción. Los motores de baterías en serie con conmutadores, que funcionan tanto con corriente continua como con corriente alterna, se denominan motores universales. Éstos se fabrican en tamaños pequeños y se utilizan en aparatos domésticos.

Historial de un motor de c. a.

Una vez terminadas las operaciones de bobinado, y cuando las circunstancias lo permitan, se deben realizar, al motor reparado, todas las pruebas y mediciones posibles. En nuestro caso, las mediciones que se realicen reforzarán los conceptos de las medidas eléctricas estudiados en electrotecnia.

Conceptos en placa de bornes

La placa de bornes se conectará dependiendo de la tensión de la red y de la tensión de los bobinados de fase. El motor se puede conectar en estrella o en triángulo.

En la siguiente figura se observa como la intensidad en la línea es la misma que la intensidad en fase.

La conexión en triángulo se realizará, por ejemplo, en una línea de 3~­­­­­­­­230 V. La red trifásica de 230 V está en desuso, por lo que los motores conectados a una red trifásica de 400 V se conectan en estrella. En la siguiente figura se observa como la tensión en una línea es la misma que la tensión de fase.

Medida de tensión en un sistema trifásico

Es conveniente realizar la medida de tensión en un sistema trifásico de cualquier medida posterior para verificar que el sistema está equilibrado. Si está comprobado no se ha realizado previamente, las demás medidas pueden estar erróneas.

Los tres voltímetros deben dar un mismo valor de tensión.

Medida de intensidades en un mismo motor trifásico de corriente alterna

Para medir en un motor trifásico en estado de funcionamiento, se utiliza la pinza amperimétrica o electropinza. La pinza amperimétrica permite realizar la medida de intensidad sin interrupción del circuito para la conexión del amperímetro.

En la siguiente figura se observa la medición de intensidad en una fase. Si el sistema está equilibrado, las tres fases deberán medir igual.

Un motor trifásico de inducción constituye un sistema de potencia trifásico equilibrado y, por tanto, la suma de sus tres intensidades de línea da, en todo instante, un valor de cero amperios.

En la siguiente imagen se observa la medición de dos fases de un motor en un sistema trifásico, con indicación del sentido de las fases.

En la medida de intensidad de las tres fases del motor en un sistema trifásico, la suma de intensidades debe ser cero, si el sistema está equilibrado, ya que la suma de las intensidades que salen:

lu + lv +lw =

En la siguiente figura se indica la medición de las tres fases y los sentidos de las intensidades.

Medida de potencia de un motor en un sistema trifásico

La medición de potencia se puede realizar en un sistema equilibrado o en un sistema desequilibrado.

En ambos sistemas, se pueden dar las circunstancias con neutro o sin neutro.

En un sistema trifásico equilibrado, con neutro y sin neutro, las potencias activas de las fases son iguales; por lo tanto, con la medición de una fase tendremos la potencia del circuito:

P1 = P2 = P3

En la siguiente figura se puede ver la medición de potencia, con un vatímetro, en un sistema trifásico equilibrado a tres hilos. Como se observa, en este montaje obliga a tener accesibles los seis bornes de conexión del motor para instalar el vatímetro en las conexiones dentro del bobinado de fase.

Velocidad de giro de un motor asíncrono

En los alternadores y motores de corriente alterna, el número de polos es el que determina la velocidad de la ma­quina cuando la frecuencia es constante.

Como se estudió en la unidad anterior, la frecuencia indus­trial en Europa es de 50 Hz, lo que indica que el número de polos de la máquina será el referente de la velocidad de la máquina de corriente alterna. La expresión de la fre­cuencia es:

f = frecuencia en Hz

ns = velocidad de sincronismo o del campo giratorio en rpm.

P = número de pares de polos.

Despejando la velocidad de giro:

f · 60

ns = ----------

P

La velocidad del rotor siempre será menor que la veloci­dad del campo giratorio del estator, ya que si alcanza­ran la misma, no se producirían cortes de líneas de fuerza y, por lo tanto, no existiría movimiento relativo entre ambos.

La velocidad de rotor suele oscilar entre el 1 % y el 7% menor que la velocidad de sincronismo.

El deslizamiento es la diferencia entre la velocidad del campo giratorio y la velocidad del rotor, expresado en por­centaje (%).

nS - n

S% = ----------- · 100

nS

El valor absoluto del deslizamiento vale:

S = nS - n

Donde:

s = deslizamiento en valor absoluto

s% = deslizamiento en tanto por ciento

n,= velocidad del campo giratorio (velocidad de sincronismo) n = velocidad del rotor

El deslizamiento disminuye al aumentar la potencia del mo­tor; por el contrario, al aumentar la potencia aumentan el factor de potencia y el rendimiento.

En la siguiente figura se puede observar cómo se mide la velocidad de giro mediante un tacómetro de contacto (fototacómetro).

Medida del factor de potencia (cos )

La medida del factor de potencia (cos ), como se ha estudiado anteriormente, se puede calcular a partir del cociente entre la potencia activa y la potencia aparente.

P

Cos = ------

S

En los circuitos trifásicos, la medida directa es la más utili­zada, y se obtiene mediante un fasímetro trifásico, como el de la siguiente figura.

El cos  también se puede medir directamente y sin inte­rrumpir el circuito con la tenaza fasímetrica, prepara­da con un conmutador de polaridad para la desviaciones negativas de la aguja.

Medida de aislamiento

La medida de aislamiento se realiza para comprobar si dos partes independientes de la máquina están o no comunica­das eléctricamente.

El aislamiento es uno de los factores más importantes para que la máquina pueda estar en perfecto estado de fun­cionamiento.

Para ello, se recurre a la medida de resistencia de aisla­miento y al ensayo dieléctrico o rigidez dieléctrica.

Generalmente, estas mediciones se realizan entre coda uno de los circuitos eléctricos y masa, y entre coda uno de los circuitos eléctricos, que deben estar aislados entre si.

La medida de aislamiento se realiza con un medidor de aislamiento (megger).

La resistencia de aislamiento, dada por el CEI (Comité Electrotécnico Internacional) recomienda que el valor mínimo de aislamiento sea de 1 000 S2 por voltio; por consiguien­te, según la expresión será:

Raisl > 1000 · U

Donde:

Raisl = resistencia de aislamiento con un valor mínimo de 250 K

U = tensión mayor de los bobinados en voltios

Medida de rigidez dieléctrica

El ensayo de rigidez dieléctrica se puede definir como la prueba que se le realiza al aislante hasta el instante de perforación, aplicándole una determinada tensión.

El aparato que se utiliza para este tipo de ensayo es el me­didor de rigidez dieléctrica (chispómetro). Este apa­rato dispone de una alta tensión en sus puntas.

Se debe someter a tensión a cada uno de los bobinados y masa, y a los propios bobinados aislados entre si. El ensa­yo debe comenzar aplicando una baja tensión, que se ha de aumentar progresivamente hasta llegar a la tensión efi­caz de ensayo.

La tensión eficaz de ensayo (U,ns) será de 1 000 voltios más dos veces la tensión nominal del bobinado; como mínimo será de 1 500 V.

Identificación de fases de un sistema trifásico

Para ciertas aplicaciones, es necesario conocer la secuen­cia de fase de as líneas de alimentación trifásicas, como, por ejemplo, en el caso de accionamiento de motores asíncronos trif6sicos, cuyo sentido de rotación depende del sen­tido de giro de esta secuencia de fase.

El comprobador o identificador de fase es un ins­trumento que se conecta en las fases donde se conectar6 el motor trif6sico, para averiguar el sentido de giro que Ileva­r6 el motor cuando se conecte.

El comprobador dispone de tres pinzas de cocodrilo de di­ferentes colores; respetando la relación de colores de las pinzas del comprobador y las fases LI, L2 y L3, se puede ave­riguar el orden de sucesión de las fases y, por lo tanto, el sentido de giro del motor.

El comprobador posee en la parte delantera tres led (uno por cada fase) que se encenderán cuando exista una co­rrecta conexión, y un disco que deber6 girar en sentido de las agujas del reloj.

Cuando el disco gire en sentido contrario a las agujas del reloj, se deberán cambiar dos fases, lo que indicar6 que la conexión es correcta y que LI, L2 y L3 estos identificadas para la correcta conexión del motor.

Control de la velocidad en los motores de c.a. con un rotor en cortocircuito

La regulación de velocidad de un motor trifásico con rotor en cortocircuito siempre ha sido complicada de realizar. La regulación se conseguía con vaciadores mecánicos ac­cionados por motores trifásicos de corriente alterna y utili­zando motores de CC después de rectificar las corrientes alternas o generando corriente continúa mediante un gru­po Ward Leonard, o cualquier otro sistema.

El variador de frecuencia ha reducido el coste y este] en con­diciones de ser aplicado en la generalidad de los motores con necesidad de regulación de velocidad, ya que el ren­dimiento que se obtiene es bastante considerable.

Como se ha estudiado anteriormente, la velocidad de un motor esta directamente relacionada con la frecuencia como factor variable, sin necesidad de alterar el bobinado ni la tensión de servicio.

F · 60

N = --------

P

En el caso más probable de utilización de frecuencias industriales, tenemos la frecuencia de 50 Hz, utilizada en Europa, y la frecuencia de 60 Hz, que se utiliza en América.

En los motores, este cambio de frecuencia produce alte­raciones en el par motor, en la velocidad, en la potencia, etc.

Adaptación de un motor a una red monofásica

Un motor trifásico puede funcionar como un motor monofá­sico si en su conexión se instala un condensador. La adaptación del motor trifásico a una red monofásica se consigue mediante la conexión Steinmetz.

Esta conexión permite que un motor trifásico funcione, co­nectado en estrella o en triangulo, mediante un condensa­dor permanente, que no se debe confundir con el de arran­que de un motor monofásico. La potencia que el motor puede alcanzar con esta adaptación es de dos tercios de la potencia total del motor conectado en un sistema trifásico. En muchos casos, este resultado permite utilizar permanen­temente un motor trifásico en una red monofásica.

No obstante, las pruebas realizadas en algunas industrias del sector hacen que se utilice una capacidad de 50 nF por Kw. o 70 por CV, y a una tensión de trabajo de 220 V.

Con el ábaco de la siguiente tabla, se puede calcular la ca­pacidad del condensador permanente que se deberá conectar en un motor trif6sico conectado a una red mono­fásica.

Anillos rozantes

El alternador, al no tener colector de delgas, es sustituido por anillos rozantes; a troves de estos suministra tensión al bobinado giratorio. Su constitución es de cobre, bronce o acero, y sobre ellos se conectan las escobillas, que son similares a las de los colectores, también de carbón.

Bobinados

Los bobinados de los inducidos de corriente continua son cerrados y se conectan al colector, mientras que los bobi­nados en los alternadores son abiertos, de forma que se fija un principio y un final del bobinado.

Características eléctricas de un alternador

Al igual que las maquinas de corriente continua se determinan por sus características, las maquinas de corriente al terna también se determinan por sus curvas características.

Características de vació

La curva de vació de un alternador se determina por la variación de la corriente de excitación cuando el generador gira a su velocidad nominal y originando la propia tensión.

La curva de vacío de un alternador es idéntica a la curva de características de vacío de una maquina de corriente continua.

Característica exterior

Una de las características fundamentales del alternador es la relacionada con la regulación de la tensión en bornes, al variar la corriente de carga absorbida por los receptores. En los alternadores, el factor de potencia también depende de los receptores. La característica exterior comprende varias curvas, aunque suele ser el funcionamiento normal con cargas inductivas.

La maquina sincronía se aplica casi exclusivamente a la producción de energía eléctrica; de hecho, prácticamente toda la energía suministrada en las centrales eléctricas esta generada por alternadores síncronos.

Arranque de los motores asíncronos.

El arranque de los motores asíncronos depende del tipo de rotor que tenga; el de jaula de ardilla, sencillo, absorbe en

El arranque del orden de 5 a 7 veces la intensidad nominal. La intensidad en el arranque de un motor con rotor bobinado es menor.

Las intensidades elevadas en el arranque producen una elevada caída de tensión en la línea eléctrica, perjudicando a los usuarios. Por ello, está prohibido el arranque directo en motores de cierta potencia; se deben emplear sistemas de arranque que reduzcan la intensidad en el mismo.

Entre los sistemas más utilizados en el arranque de motores, que eviten intensidades elevadas, se encuentran:

- Arranque estrella-triangulo.

- Arranque por autotransformador.

- Arranque por reóstatos de los motores de rotor bobinado.

- Arranque por variador de frecuencia.

- Arranque por resistencias estatóricas.

Superado el inconveniente del arranque, estos motores son los de construcción más sencilla, robustos y económicos, especialmente los de jaula de ardilla. Estos motores son las máquinas utilizadas en la industria debido a si diversa aplicación.

Aplicaciones de motor monofásico.

El motor monofásico nace de la necesidad de las aplicaciones domésticas y de la pequeña industria, en la que se carece de red trifásica y sólo se dispone de red monofásica.

La necesidad es patente en motores de pequeña potencia, que, por su uso no suelen superar 1CV.

En los motores monofásicos, el flujo se crea por una sola corriente que recorre el bobinado del estator. El flujo que crea el motor monofásico es de dirección constante, pero variable. Para hacer girar el motor, es necesario un dispositivo específico para el arranque.

En los motores monofásicos de inducción o asíncronos, el empleo de un bobinado auxiliar conectado con una inductancia o un condensador es capaz de producir un desfase de entre 80º y 85º con respecto al bobinado de trabajo, suficiente para producir el arranque por sí mismo.

Motor de fase partida

Este tipo de motores está construido por un bobinado principal, o de trabajo, y un bobinado auxiliar, con un desfase entre ellos de 80º a 85º por la diferencia de inductancias.

El bobinado auxiliar lleva conectado en serie un dispositivo que permite la desconexión de éste una vez alcanzada la velocidad de régimen; este dispositivo es solidario con el eje del motor, que por la fuerza centrífuga actúa sobre un interruptor.

El par de arranque de este tipo de motor es moderado, 1.75 veces el par motor nominal, lo que hace que se utilice en máquinas de poca carga en el arranque, como extractores, bombas centrifugas, etc. En la Figura 10.28, se puede ver el esquema del motor de fase partida.

Motor de condensador.

El motor monofásico con condensador es similar al anterior, pero con un condensador conectado enserie al bobinado auxiliar de arranque que mejora el par de arranque, llegando a conseguir uno de 3.5 veces el par nominal. En la Figura 10.29, se puede ver el esquema del motor monofásico de fase partida con condensador

Motor monofásico de espiras en cortocircuito.

En los motores de estator de polos salientes y rotor de jaula de ardilla, el arranque se realiza por las bobinas polares que se encuentran en el estator y mediante la espira en cortocircuito colocada en una ranura longitudinal situada en el mismo polo saliente de estator.

Máquina asíncrona trifásica:

Descripción general:

También son conocidas como máquinas de inducción. Su estator esta formado por un paquete de chapas aisladas montado en una carcasa con una serie de ranuras en su periferia donde se encuentran los hilos conductores que forman el bobinado del estator, formando tres bobinas que se corresponden a cada una de las tres fases. El rotor lo forman un apilamiento de chapas que forman un cilindro junto con el eje del motor, pero según se distribuya el inducido se distinguen dos tipos:

• Rotor bobinado: En las ranuras de las chapas del rotor hay unos devanados iguales que los del estator formados por un gran número de espiras; los extremos de las bobinas de este devanado esta conectadas a tres anillos que se conectan al exterior mediante el contacto de tres escobillas

• Rotor de jaula de ardilla: En las ranuras del exterior están colocados los conductores que forman una serie de barras formando un cilindro cortocircuitadas en cada extremo con forma de jaula de ardilla

El estator:

Es la parte fija del motor. Esta constituido por una carcasa en la que esta fijada una corona de chapas de acero de calidad especial provistas de ranuras. Los bobinados están distribuidos en estas ranuras y forman un conjunto de bobinas desfasadas entre sí 120º. Cada una de las bobinas se conecta a una de las fases de un sistema trifásico y dan lugar a un campo magnético giratorio:

El rotor:

Él es la parte móvil del motor. Esta situado en el interior del estator y consiste en un acoplamiento de chapas de acero que forman un cilindro solidario con el árbol del motor.

El rotor del motor trifásico es atravesado por el campo giratorio engendrado en el estator. El arrollamiento rotórico puede ejecutarse como el estatórico en forma repartida, con las bobinas unidas en serie (rotor bobinado o con anillos rozantes); o también a base de barras (rotor de jaula o en cortocircuito). Estas barras, de aluminio inyectado a presión (las aletas de refrigeración hechas en la misma operación hacen masa con el rotor) están conectadas en paralelo y al mismo tiempo puestas en cortocircuito por medio de dos aros extremos.

En uno y otro caso queda el arrollamiento rotórico en cortocircuito una vez el motor está en servicio. Igual que en el secundario de un transformador, en el arrollamiento rotórico se induce también una f.e.m., la cual, por estar éste cerrado sobre sí mismo, da lugar a la circulación de una corriente rotórica. La acción conjunta del campo giratorio y del campo debido a la corriente rotórica determina, como en todos los motores, un par de giro. Éste par arrastra al rotor en el sentido de rotación del campo giratorio y le comunica una velocidad muy próxima a la de sincronismo.

Una vez el motor puesto en marcha se induce en el rotor, además de la tensión de reposo, una contratensión producida por el movimiento de los conductores rotóricos en el campo giratorio. Con el motor en servicio, la tensión rotórica efectiva equivale pues solamente a la diferencia entre las dos anteriores.

Si el rotor llegase a girar a la velocidad de sincronismo es evidente que ambas tensiones serían iguales (en magnitud), con lo cual la tensión rotórica efectiva resultaría nula. En tal caso no circularía tampoco corriente alguna por el rotor y desaparecería el par de giro. El motor trifásico funciona, pues, siempre algo rezagado con respecto a la velocidad de sincronismo: se dice que desliza. La diferencia entre esta última y la velocidad real del motor constituye la velocidad relativa de éste con respecto al campo. El motor trifásico es, por consiguiente, esencialmente asíncrono. A medida que la carga aumenta y con ella la corriente rotórica, va disminuyendo el numero de revoluciones.

Generación del campo giratorio:

El campo magnético del motor asíncrono es también un campo giratorio. En el caso de un motor trifásico está generado por las tres corrientes desfasadas que circulan por el arrollamiento estatórico. Para que se genere el campo giratorio es preciso que los arrollamientos estén uniformemente repartidos en la periferia del estator, como lo están en el tiempo (es decir, en el orden de sucesión) las 3 corrientes de fase. En máquinas bipolares el ángulo entre bobinas correspondientes de cada fase deberá ser, por consiguiente, de 120º. Las 3 corrientes estatóricas del lugar entonces a 3 campos alternos, también desfasados 120º entre sí, cuya resultante es un campo magnético giratorio. Como en el rotor los polos son fijos y en estator la polaridad de los campos varía (está alimentado por corriente alterna), los polos fijos del rotor, siguen las variaciones de polaridad de los devanados del estator. Habrá efectos de atracción y repulsión de campos magnéticos que causará la rotación del rotor.

El tiempo correspondiente a cada posición puede deducirse a partir del ángulo girado por el campo (de 0 a 360º ). Invirtiendo dos fases se invierte el sentido de giro del campo.

Motores de jaula de ardilla.

La mayor parte de los motores, que funcionan con c-a de una sola fase, tienen el rotor de tipo jaula de ardilla. Un esquema simplificado del mismo se ve a continuación.

Los rotores de jaula de ardilla reales son mucho más compactos que el de la figura y tienen un núcleo de hierro laminado.

Los conductores longitudinales de la jaula de ardilla son de cobre y van soldados a las piezas terminales de metal. Cada conductor forma una espira con el conductor opuesto conectado por las dos piezas circulares de los extremos.

Cuando este rotor está entre dos polos de campo electromagnéticos que han sido magnetizados por una corriente alterna, se induce una fem en las espiras de la jaula de ardilla, una corriente muy grande las recorre y se produce un fuerte campo que contrarresta al que ha producido la corriente (leyde Lenz). Aunque el rotor pueda contrarrestar el campo de los polos estacionarios, no hay razón para que se mueva en una dirección u otra y así permanece parado. Es similar al motor síncrono el cual tampoco se arranca solo. Lo que se necesita es un campo rotatorio en lugar de un campo alterno.

Cuando el campo se produce para que tenga un efecto rotatorio, el motor se llama de tipo de jaula de ardilla. Un motor de fase partida utiliza polos de campo adicionales que están alimentados por corrientes en distinta fase, lo que permite a los dos juegos de polos tener máximos de corriente y de campos magnéticos con muy poca diferencia de tiempo. Los arrollamientos de los polos de campo de fases distintas, se deberían alimentar por c-a bifásicas y producir un campo magnético rotatorio, pero cuando se trabaja con una sola fase, la segunda se consigue normalmente conectando un condensador (o resistencia) en serie con los arrollamientos de fases distintas.

Con ello se puede desplazar la fase en más de 20° y producir un campo magnético máximo en el devanado desfasado que se adelanta sobre el campo magnético del devanado principal.

Desplazamiento real del máximo de intensidad del campo magnético desde un polo al siguiente, atrae al rotor de jaula de ardilla con sus corrientes y campos inducidos, haciéndole girar. Esto hace que el motor se arranque por sí mismo.

El devanado de fase partida puede quedar en el circuito o puede ser desconectado por medio de un conmutador centrífugo que le desconecta cuando el motor alcanza una velocidad predeterminada. Una vez que el motor arranca, funciona mejor sin el devanado de fase partida. De hecho, el rotor de un motor de inducción de fase partida siempre se desliza produciendo un pequeño porcentaje de reducción de la que sería la velocidad de sincronismo.

Si la velocidad de sincronismo fuera 1.800 rpm, el rotor de jaula de ardilla, con una cierta carga, podría girar a 1.750 rpm. Cuanto más grande sea la carga en el motor, más se desliza el rotor.

En condiciones óptimas de funcionamiento un motor de fase partida con los polos en fase desconectados, puede funcionar con un rendimiento aproximado del 75 por 100.

Otro modo de producir un campo rotatorio en un motor, consiste en sombrear el campo magnético de los polos de campo. Esto se consigue haciendo una ranura en los polos de campo y colocando un anillo de cobre alrededor de una de las partes del polo, como se ve en la figura siguiente.

Mientras la corriente en la bobina de campo está en la parte creciente de la alternancia, el campo magnético aumenta e induce una fem y una corriente en el anillo de cobre. Esto produce un campo magnético alrededor del anillo que contrarresta el magnetismo en la parte del polo donde se halla él.

En este momento se tiene un campo magnético máximo en la parte de polo no sombreada y un mínimo en la parte sombreada. En cuanto la corriente de campo alcanza un máximo, el campo magnético ya no varía y no se induce corriente en el anillo de cobre. Entonces se desarrolla un campo magnético máximo en todo el polo.

Mientras la corriente está decreciendo en amplitud el campo disminuye y produce un campo máximo en la parte sombreada del polo.

De esta forma el campo magnético máximo se desplaza de la parte no sombreada a la sombreada de los polos de campo mientras avanza el ciclo de corriente. Este movimiento del máximo de campo produce en el motor el campo rotatorio necesario para que el rotor de jaula de ardilla se arranque solo. El rendimiento de los motores de polos de inducción sombreados no es alto, varía del 30 al 50 por 100.

Una de las principales ventajas de todos los motores de jaula de ardilla, particularmente en aplicaciones de radio, es la falta de colector o de anillos colectores y escobillas. Esto asegura el funcionamiento libre de interferencias cuando se utilizan tales motores.

Motores universales.

El motor de c.c. serie, tal como se ha explicado, gira cuando se aplica c-c o c-a de baja frecuencia. Tal motor, llamado universal, se utiliza en ventiladores, sopladores, batidoras, taladradoras eléctricas transportables y otras aplicaciones donde se requiere gran velocidad con cargas débiles o pequeña velocidad con un par muy potente.

Una dificultad de los motores universales, en lo que a radio se refiere, son las chispas del colector y las interferencias de radio que ello lleva consigo oruido. Esto se puede reducir por medio de los condensadores de paso, de 0,001 μF a 0,01 μF, conectados de las escobillas a la carcasa del motor y conectando ιsta a masa.

Motores síncronos.

Se puede utilizar un alternador como motor en determinadas circunstancias. Si se excita el campo con c-c y se alimenta por los anillos colectores a la bobina del rotor con c-a, la máquina no arrancará. El campo alrededor de la bobina del rotor es alterno en polaridad magnética pero durante un semiperiodo del ciclo completo, intentará moverse en una dirección y durante el siguiente semiperiodo en la dirección opuesta.

El resultado es que la máquina permanece parada. La máquina solamente se calentará y posiblemente se quemará.

El rotor de un alternador de dos polos debe hacer una vuelta completa para producir un ciclo de c-a. Debe girar 60 veces por segundo, ó 3.600 revoluciones por minuto (rpm), para producir una c-a de 60 Hz. Si se puede girar a 3.600 rpm tal alternador por medio de algún aparato mecánico, como por ejemplo, un motor de c-c, y luego se excita el inducido con una c-a de 60 Hz, continuará girando como un motor síncrono.

Su velocidad de sincronismo es 3.600 rpm. Si funciona con una c-a de 50 Hz, su velocidad de sincronismo será de 3.000 rpm. Mientras la carga no sea demasiado pesada, un motor síncrono gira a su velocidad de sincronismo y solo a esta velocidad.

Si la carga llega a ser demasiado grande, el motor va disminuyendo velocidad, pierde su sincronismo y se para. Los motores síncronos de este tipo requieren todos una excitación de c-c para el campo (o rotor), así como una excitación de c-a para el rotor (o campo).

Se puede fabricar un motor síncrono construyendo el rotor cilíndrico normal de un motor tor tipo jaula de ardilla con dos lados planos. Un ejemplo de motor síncrono es el reloj eléctrico, que debe arrancarse a mano cuando se para. En cuanto se mantiene la c-a en su frecuencia correcta, el reloj marcael tiempo exacto. No es importante la precisión en la amplitud de la tensión.

- arranque estrella-triángulo:

Es uno de los métodos más conocidos con el que se pueden arrancar motores de hasta 1 l KW de potencia. Consiste en conectar primero el motor en estrella para, una vez arrancado, conmutar a la conexión en triángulo. Para que esto se pueda llevar a cabo, se debe utilizar un motor que esté preparado para funcionar a la tensión inferior conectado en triángulo. Así, por ejemplo, un motor de 220/380 podrá ser arrancado en una red de 220 V.

Si a un motor de las características indicadas se le conecta primero en estrella, cada una de las bobinas del mismo quedará sometido a una tensión, SQRT(3) inferior que si hubiese conectado en triángulo. Con ello se consigue que la intensidad en el arranque quede disminuida a la tercera parte respecto al arranque directo en conexión en triángulo. El par también queda reducido a la tercera parte, lo que conviene tenerlo en cuenta si el motor arranca con toda la carga. Por esta razón, conviene que el motor arranque en vacío o con poca carga.

- arranque con resistencias estatóricas:

Consiste en reducir la tensión que producen unas resistencias conectadas en serie con el estator. Este sistema tiene el inconveniente de que consigue disminuir la corriente en función lineal de la caída de tensión producida. Sin embargo, el par queda disminuido con el cuadrado de la caída de tensión, por lo que su aplicación, se ve 1imitada a motores en 1os que el momento de arranque resistente, sea bajo.

- arranque por autotransformador:

Consiste en conectar un autotransformador en la alimentación del motor, de esta forma se consigue reducir inducida en la tensión y con ella la corriente de arranque. El par de arranque queda reducido en este caso en la misma proporción que la corriente, es decir, al cuadrado de la tensión reducida.

Este sistema proporciona una buena característica de arranque, aunque posee el inconveniente de su alto precio. En la figura se muestra el circuito de fuerza de este sistema de arranque.

PAR MOTOR

Se denomina momento o par de fuerza, al producto de la fuerza por el brazo de palanca sobre el que actúa. Se expresa en mKg. (M = F · D / 2 = Kg).

El par es proporcional al flujo y a la intensidad. La suma de todos los pares constituye el momento de rotación resultante de la máquina, llamado también par motor.

El par de arranque o momento de rotación del motor depende de la conexión a la red. Si se conecta directamente a la tensión de alimentación, el par es elevado, pero también lo es la intensidad absorbida, siendo entonces necesario emplear algún procedimiento para reducir la intensidad que absorbe el motor en ese instante.

El motor de arranque debe producir un par de valor suficiente como para vencer la resistencia que ofrecen los mecanismos propios y las cargas que vayan aplicadas al eje del motor. Además, este par debe ser mayor en cada instante al par resistente para obtener un par acelerador.

El hecho de que el par dependa de la corriente absorbida trae malas consecuencias para el arranque. Generalmente, se precisan fuertes pares de arranque y, en consecuencia, la corriente absorbida supera los valores límite de las compañías suministradoras de energía y del Reglamento de Baja Tensión, el cual fija los valores de la relación entre la corriente máxima y la nominal del motor. Son los siguientes:

- Motores de 0'75 a 1'5 Kw Imax / Imin < 4'5.

- Motores de 1'5 a 5 Kw Imax / Imin < 3.- Motores de 5 a 15 Kw Imax / Imin < 2.- Motores de potencia superior a 15 Kw Imax / Imin < 1'5.Disminuir los valores de la intensidad equivale a un descenso muy acusado en el par.

Para evitar este problema se recurre a diversos procedimientos que tienen por objeto arrancar el motor con un par máximo sin superar una corriente determinada. En los motores de poca potencia disminuye rápidamente al aumentar la velocidad. En motores de gran potencia, disminuye lentamente al principio, y al final del proceso de arranque cayendo bruscamente. En cuanto al deslizamiento si aumenta, la velocidad, la In disminuye y al disminuir, también lo hace el par.

La frecuencia depende directamente del deslizamiento, y si este aumenta también lo hace la frecuencia, por lo que si al aumentar el deslizamiento la In disminuía si aumenta la frecuencia, también lo hará, y en consecuencia el par disminuye.

r = D/2 F F

BIBLIOGRAFIA

http://html.rincondelvago.com/

http://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_alterna

http://www.monografias.com/trabajos23/motores-corriente-alterna/motores-corriente-alterna.shtml

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