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Datos a Considerar:
• Motores Sincrónicos son mas caros que motores
•
•
•
inducción son viables después de 1000 Hp, se
usan para generar, Existen de 750 Hp.
+de 3 Hp se utiliza un sistema para arrancar,
(motor de inducción)
Duración de motor de inducción es de 12 años
+- 3 años.
Motor de corriente continua vale 3 a 4 Veces
uno de inducción.
El campo giratorio en CA
Conceptos preliminares
En los motores de CC conmutados electrónicamente se vio
que la conmutación se utiliza para “mover” la dirección del
campo magnético del estator desde una posición a otra,
mediante la conexión de distintos devanados (siguiendo una
secuencia preestablecida).
En los motores de CA ocurre un efecto similar. Sin embargo,
el campo giratorio es producido por las variaciones graduales
que va experimentando la onda sinusoidal de la corriente que
circula por los devanados del estator.
La forma simplificada de cómo está constituido un motor de
CA es la que se muestra a continuación:
Configuración de un motor de CA
Fuentes de CA
desfasadas 90°
entre sí.
VB
Polos de la
fase A
VA
Polos de la
fase B
Configuración de un motor de CA
Forma de creación
del campo giratorio
en un motor bifásico
Contribución Fase A
Contribución Fase B
Flujo Neto Resultante
Polos por fase
El número de polos de un motor de CA no necesariamente
coincide con el número de fases. Al indicar el número de
polos de un motor se refiere a la “cantidad de polos por fase”.
VB
VA
VB
VA
Polos
Fase A
Plano de devanado de
los polos de la Fase A
Polos
Fase B
Dos fases y
cuatro polos
Giro del flujo de campo
La distribución mecánica del flujo en un motor dependerá del
instante de la señal sinusoidal de excitación. En la siguiente
figura se muestra la distribución del flujo para un motor de
cuatro polos, en los instantes 0°, 90° y 180°:
N
S
S
N
N
S
N
0°
S
N
S
90°
N
S
180°
Giro del flujo de campo
La velocidad de rotación del campo de flujo va a depender de
la cantidad de polos que tenga el motor. Por ejemplo, en un
motor de dos polos excitado con una frecuencia sinusoidal de
50Hz, el campo giratorio dará 50 giros un segundo, mientras
que si el motor fuese de 4 polos, sólo dará 25 giros en el
mismo tiempo.
En general, puede decirse que:
f 120
vsinc 
P
donde:
• f : frecuencia; y
• P : Número de polos.
vsinc: velocidad síncrona.
f ) Motores de jaula de
ardilla monofásicos
El rotor “Jaula de Ardilla”
La estructura de este tipo de rotor, como su nombre lo indica,
tiene la forma de una jaula de ardilla, tal como se muestra en
la siguiente figura:
Se trata de barras conductoras unidas por anillos terminales de
aluminio o cobre. Generalmente tienen un núcleo de una
aleación de hierro, con buena permeabilidad magnética.
El rotor “Jaula de Ardilla”
Cuando el campo del estator cruza las barras conductoras del
rotor, induce un voltaje en las mismas, produciendo una
circulación de corriente entre las barras y el anillo que las une.
Este campo magnético producido en el rotor se opondrá al
campo del estator, provocando un giro en el rotor, tratando de
seguir al campo giratorio. Es por esto que se llaman motores
asincronicos.
Obtención del desfasaje
Puede notarse que, para operar el motor, es suficiente con
alimentar ambos devanados con corrientes desfasadas entre sí.
C
Fase
IB
B
Corriente
IA
IA
Fase
A
IB
Grados
ROTOR
90°
180°
270°
360°
Inversión de giro
Una forma de poder lograr invertir el sentido de rotación del
motor bifásico es la que se muestra en la siguiente figura:
Fase
IB
B
DIRECTA
INVERSA
IA
Fase
A
ROTOR
Arranque por capacitor
En realidad, después que el motor de jaula de ardilla comienza
su rotación, no es necesario mantener la diferencia de fases
para mantener el campo giratorio.
Fase
Para eliminar la fase
IB
B
relacionada al capacitor
de arranque, se puede
IA
usar un “switch” centrífugo, que interrumpe
Fase
ROTOR
C la circulación de
A
corriente después de
alcanzar una cierta
velocidad de operación.
SW
Componentes del motor
Un ejemplo de
cómo está constituido el motor
internamente se
muestra a
continuación:
Operación de motores de jaula de ardilla
Una de las características principales de los motores de jaula
de ardilla es que el campo giratorio corta las barras del rotor a
la velocidad síncrona, vsinc , para provocar el giro del mismo.
Por lo tanto, para que este campo del flujo con el tiempo se
mantenga durante el movimiento del rotor, no es posible que
ambos (campo giratorio y rotor) giren a la misma velocidad
(la velocidad relativa entre ellos tiene que ser distinta de cero).
Así, la velocidad del rotor, vrot , es menor que vsinc, y se define
el concepto de “desplazamiento” como la diferencia entre
ambas velocidades, es decir:
desplazamiento= vsinc- vrot
Característica velocidad contra par
La gráfica característica de motor de jaula de ardilla que representa la velocidad alcanzada en relación con el par aplicado
tiene la siguiente forma:
(deslizamiento [%]) Velocidad [r/min]
(0) 1800
100
Par [porcentaje
a plena carga]
Característica corriente contra velocidad
Esta característica representa otra curva importante del motor
de jaula de ardilla, como se muestra a continuación:
IEST [A]
IARR
Punto de
par máximo
veloc [r/min]
Velocidad a
par máximo
Motores de inducción trifásicos
Configuración trifásica
Se vio en la Unidad 3 que las corrientes alternas trifásicas
están constituidas por tres voltajes sinusoidales de igual
amplitud y desfasados entre sí 120º eléctricos. Sin embargo,
esto no implica que las corrientes de una carga trifásica sean
iguales, ya que dependerán de la carga aplicada.
Cuando la carga eléctrica es un motor de inducción trifásico,
la carga aplicada a las tres fases es la misma y, por lo tanto, las
corrientes producidas también serán iguales. Esta situación se
conoce como “cargas balanceadas”.
También se ha visto que se cumple la relación:
Vlínea  3 V fase
Configuración trifásica
Donde Vlínea representa el voltaje “línea a línea” (conocido
normalmente como “voltaje de línea”) entre cualquier par de
líneas, mientras que Vfase corresponde al “voltaje líneaneutro” (“voltaje de fase”).
En la Unidad Anterior se vieron las conexiones típicas, que
son:
Circuito Y-Y balanceado
Claramente, la corriente por
cualquier línea es la misma
R
a
que circula por cada fase (si
I
Za
Va
las cargas están balanceadas).
n
n
Vb
Vc
Por lo tanto, para conexión en
I
b
c
S
estrella se cumple:
I
N
a
b
n
Ic
T
I línea  I fase
Configuración trifásica
Circuito Y-D balanceado
A
Ia
a
Va
Vb
b
n
Vc
c
Ib
Ic
IAB
B
En este caso, se tiene que:
ICA
IBC
Z
C
V fase  Vlínea
Esta situación destaca claramente que la corriente aumentará
respecto del caso anterior en un factor de 1.73, es decir:
I línea  3 I fase
Las relaciones indicadas ya fueron estudiadas con más
profundidad en las Unidades pasadas.
Potencia trifásica
La potencia en una carga trifásica es la suma de la potencia
consumida en cada fase. Por lo tanto, la potencia aparente para
cargas balanceadas en configuración Delta (Triángulo) será:
S  3  V fase  I fase
Sin embargo, una vez conectado el sistema, es difícil poder
medir la corriente por cada fase. En consecuencia, es mejor
expresarla en función de los valores de línea, es decir:
I línea
S  3  V fase  I fase  3  Vlínea 
 3  Vlínea  I línea
3
Esta expresión es igualmente válida para conexión en Estrella
(el problema aquí puede ser medir la tensión de fase).
Motores de jaula de ardilla trifásicos
Tal como en el caso bifásico, un motor de inducción trifásico
produce un campo giratorio entre polos, separados mecánicamente 120° (dos polos por fase), debido a corrientes que circulan entre los devanados que están separadas eléctricamente en
120°. La conexión típica de este tipo de motores es:
Polos de
la fase R
N
Este punto se
encuentra en el
interior del motor
R
S
T
Polos de
la fase S
Polos de
la fase T
Motores de jaula de ardilla trifásicos
En el ejemplo visto (conexión en estrella), el voltaje a través
de cualquier devanado de fase es igual al voltaje de línea
dividido por 1.73. Así, por ejemplo, si el voltaje de línea es
380V, el voltaje en cada fase del motor será:
V fase (motor en Y)
Vlínea 380V


 220V
3
3
El fabricante del motor lo diseñará para que pueda ser conectado en estrella a un voltaje trifásico de 380V de línea. Esto
implica que el tipo de alambre del devanado para cada fase
individual será adecuado para trabajar satisfactoriamente con
220V sobre la misma.
Motores de jaula de ardilla trifásicos
Sin embargo, también puede optar por permitir que el
devanado pueda ser conectado en Delta, por lo que el voltaje
sobre cada fase será el voltaje de la línea, es decir:
V fase (motor en  )  Vlínea  380V
Por lo tanto, si el fabricante del motor desea que el motor
pueda ser operado en ambas condiciones, diseñará los
devanados del motor con mayor cantidad de vueltas, un calibre
de alambre más delgado y una aislación eléctrica más gruesa,
como para que pueda trabajar con mayores voltajes aplicados a
los mismos.
Motores de jaula de ardilla trifásicos
Los motores trifásicos pueden ser diseñados por “grupos de
devanados” por casa fase, que permiten un mejor aprovechamiento del flujo magnético.
El mejor uso del espacio efectivo en el estator que permite este
tipo de configuraciones, representa su mayor ventaja respecto
de los motores bifásicos. Esto facilita la construcción de
motores pequeños, de bajo costo y alta potencia. Esta situación
es equivalente en el caso de generadores trifásicos.
Motores de jaula de ardilla trifásicos
La velocidad sincrónica y el deslizamiento se calculan de la
misma forma para ambos tipos de motores. Las ventajas de
usar tres fases se pueden resumir como sigue:
• Las máquinas (generadores o motores) son más
compactas, de mayor eficiencia de operación y menor
costo de producción.
• La potencia eléctrica se transmite más eficientemente,
con una pérdida de potencia I2 R menor por fase.
• El par producido por un motor trifásico es constante,
sin ninguna tendencia a “pulsar” (como sucede con los
motores monofásicos).
Conexionado “arranque-detención”
El diagrama de conexionado típico de un motor de inducción
trifásico es el que se muestra a continuación:
Terminales
de Línea
Contactos NA
Trabajo Pesado
Detectores
Térmicos
de Sobrecarga
Terminales
de Carga
R
S
T
L1
MS-1
L2
MS-2
L3
MS-3
Corriente alterna monofásica
Paro
(NC)
Arranque
(NA)
SC1 SC2 SC3
MS
SC1
SC2
SC3
T1
T2
T3
CIRCUITO
DE POTENCIA
MS-1
Arrancador del motor
Motor
de
Inducción
CIRCUITO
DE CONTROL
Conexionado “arranque-detención”
La bobina MS de arranque del motor debe ser del voltaje
adecuado a la alimentación de CA monofásica utilizada (por
ejemplo, 220V).
Al accionar momentáneamente el botón de arranque, se energiza la bobina MS, provocando el sello tanto de los contactos
de trabajo pesado MS-1, MS-2 y MS-3 (permitiendo que la
alimentación trifásica pase desde los terminales de línea, a
través de los detectores térmicos de sobrecarga, hasta llegar a
los terminales de carga y energizar el motor) como el utilizado
para el conexionado de partida MS-4. Esto hará que, al soltar
el botón de arranque, el motor permanezca energizado.
Conexionado “arranque-detención”
Tanto por un aumento excesivo de la corriente como por una
pulsación sobre el botón de paro, provocarán la detención del
motor.
Inversión
La conexión de un motor trifásico, siguiendo el orden R-S-T,
provocará una rotación del eje del motor en el sentido de las
agujas del reloj.
Para invertir la dirección de un motor de inducción trifásico, es
necesario invertir la dirección del campo magnético giratorio.
Esto se puede lograr conmutando la conexión de dos de los
tres cables principales de potencia. Un circuito práctico sería:
Inversión
Corriente alterna monofásica
R
S
T
L1
L2
L3
F-1
F-2
F-3
Directa
R-1 R-2 R-3
Paro
SC1 SC2 SC3
MS
R-5
F-4
SC1
SC2
SC3
T1
T2
T3
Inversa
MS
Arrancador de
Motor reversible
F-5
R-4
Motor
de
Inducción
CIRCUITO
DE POTENCIA
CIRCUITO
DE CONTROL